Lucrarea Nr.3-Dioda Semic

29

LUCRAREA NR.3

ANALIZA FUNCŢIONĂRII DIODELOR SEMICON-

DUCTOARE. PARAMETRI. TASAREA CARACTERISTICI-

LOR ŞI IDENTIFICAREA PERFORMANŢELOR

1. Introducere privind caracterizarea dispozitivelor

semiconductoare

Ecuaţiile ce descriu funcţionarea dispozitivelor semiconductoare sunt

aproximative deoarece au la bază modele simplificate. Rezultatele

calculate cu ajutorul lor, prezintă calitativ procesele care au loc stabilind

relaţii de determinare între parametri. Utilizând modele cu un grad

ridicat de complexitate, rezolvabile prin tehnici de prelucrare numerică,

şi având la dispoziţie tehnologii performante, se pot impune anumiţi

parametri pentru dispozitivele care vor fi produse.

Indiferent de modelul utilizat în proiectare, sau de tehnologia folosită

la realizarea unui anumit dispozitiv,acesta trebuie caracterizat prin

măsurători.Firmele producătoare indică principalele date necesare

utilizatorilor.Un minimum de date sunt :

Descrierea dispozitivului, valori constructive. În cadrul descrierii se

indică materialul semiconductor utilizat, tehnologia de obţinere,

principalele aplicaţii, iar la valori constructive se prezintă tipul de

capsulă folosit, dimensiunile, modul de marcare, conexiunile la

terminale, masa.. Există o mare diversitate de dispozitive

electronice.

Valori limită absolute Sunt valorile maxime ale parametrilor de

funcţionare care prin depăşire conduc la distrugerea dispozitivului.

Dacă nu se fac precizări suplimentare, valorile indicate ale

curentului, tensiunii şi puterii sunt date în curent continuu la

FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ

LUCRĂRI PRACTICE

30

temperatura capsulei de 25°C. La funcţionarea în regim de impuls

se fac precizări asupra duratei acestuia şi a frecvenţei de repetiţie.

Caracteristicile electrice pot fi:

caracteristici de curent continuu, care indică dependenţa dintre

tensiunile, curenţii şi puterile prin dispozitiv în regim de curent

continuu; aceste caracteristici sunt influenţate de temperatură;

caracteristici de curent alternativ, care dau o descriere a funcţionării

în curent alternativ sau în regim de impuls a dispozitivului; se indică

mărimile semnificative pentru funcţionarea în audiofrecvenţă sau

comutaţie, în condiţii bine precizate de măsură (parametrii h, timpii de

comutaţie, variaţia factorului de calitate cu frecvenţa, ş.a.).

Caracteristici termice

În acest cadru se indică temperatura de funcţionare a joncţiunii,

temperatura ambiantă de lucru, temperatura de stocare, disipaţia admisă

şi rezistenţa termică.

Montaje de testare

Pentru a facilita sarcinile utilizatorului, firma producătoare indică

schemele şi aparatele folosite la măsurarea principalilor parametri ai

dispozitivului.

Aplicaţii principale

Pentru dispozitivele noi, în cadrul foii de catalog, se indică o serie de

aplicaţii, descriindu-se scheme de utilizare şi prezentându-se formulele

de calcul necesare.

În cadrul lucrărilor de laborator ce au ca scop studiul dispozitivelor

electronice vor fi determinate experimental caracteristicile acestora. Se

urmăreşte compararea valorilor obţinute cu datele de catalog. Se

efectuează măsurători şi pentru precizarea unor parametri ce nu sunt

indicaţi de producător.

LUCRAREA NR.3 Analiza funcţionării diodelor semiconductoare

Trasarea caracteristicilor şi identificarea peformanţelor

31

2. Trasarea caracteristicilor statice la diode.

Mărimi specifice

Pentru orice tip de diodă caracteristica statică reprezintă dependenţa

dintre curentul ce străbate joncţiunea şi tensiunea aplicată acesteia:

Cunoaşterea funcţiei (1) permite determinarea domeniului de utilizare

a dispozitivului. Se pot stabili:1- tensiunea de deschidere,VF0,; 2-

tensiunea maximă inversă,VRM ; 3- curentul direct, IF ; 4- curentul

invers,IR 5- puterea disipată, P ; 6- rezistenţa diferenţială a joncţiunii rd.

Dacă se fac înregistrări la diferite temperaturi de funcţionare, se pot

determina aceleaşi mărimi ca funcţii de temperatură, lucru extrem de

important pentru circuitele reale (fig.1).

Fig.1 Caracteristica curent tensiune la dioda semiconductoare

Caracteristica la polarizare directă (I şi II) este definită prin

tensiunea de deschidere VF0 şi rezistenţa diferenţială rd. VF0

reprezintă tensiunea minimă la care dispozitivul conduce la polarizare

directă şi depinde de tipul joncţiunii:

)f(V = I (1)

0


LUCRĂRI PRACTICE

32

Tipul joncţiunii Germaniu Siliciu Schottky

Tensiunea de deschidere (V) (domeniu

de variaţie)

0.15-0.3 0.5-0.6 0.1-0.3

Tensiunea de deschidere (V) (tipică) 0.18 0.55 0.1

Rezistenţa diferenţială a diodei în regim lent variabil de semnal mic

se defineşte conform relaţiei:

Uneori se utilizează mărimea numită conductanţă diferenţială :

Punctul de coordonate (VQ, IQ) se numeşte punct static de

funcţionare al diodei; rd şi gd sunt funcţii de tensiunea aplicată

depinzând de punctul de funcţionare ales. Caracteristica statică directă

trasată experimental indică o rată de creştere a curentului mai mică

decât prevede teoria. Acest lucru se datorează în special căderilor de

tensiune pe rezistenţele ohmice ale regiunilor p şi n care sunt neglijate

în cadrul teoriei Shockley.

Caracteristica la polarizare inversă este definită printr-o valoare

extrem de scăzută a curentului invers IR(<10 μA) într-un domeniu larg

de tensiune (III) depinzând de tipul diodei. La atingerea unei valori

critice a tensiunii aplicate (VRM sau VZ) curentul prin diodă creşte brusc,

datorită intrării în conducţie a joncţiunii prin efect Zener sau avalanşă

(IV). La diodele redresoare sau de comutaţie obişnuite nu trebuie să se

atingă valoarea VZ. Pentru aceste dispozitive se indică tensiunea VRM

numită tensiune inversă repetitivă maximă. Pentru a avea o indicaţie

asupra performanţelor la polarizare inversă se indică o valoare maximă

a curentului invers IRM, la tensiunea VRM .

În cazul polarizărilor inverse există mai multe cauze care fac ca

valoarea curentului invers măsurat experimental, IR să fie mai mare ca

cea prezisă de teorie, Is. În regiunea de trecere au loc fenomene de

| )dV

dI( = r V = V

1-

dFQF

(2)

)r( = g-1

dd (3)



33

generare a purtătorilor atât pe cale termică, cât şi datorită câmpului

electric, care pot produce străpungerea reversibilă sau ireversibilă a

diodei. Curentul de saturaţie creşte şi datorită existenţei în joncţiune a

unor impurităţi sau defecte în structura semiconductorului.

3.Metoda trasării punct cu punct a caracteristicii voltamperice.

Pentru a aplica această metodă se folosesc montajele prezentate în

fig.2.

(a) (b)

Fig.2 Montaje pentru trasarea caracteristicilor la diode

semiconductoare la : (a) -polarizare directă, (b) -polarizare inversă

Se vor analiza tipuri de diode cu siliciu şi cu germaniu. Pentru fiecare

se determină punctele de pe caracteristica de polarizare directă folosind

montajul din fig.2a unde pentru a se putea regla fin tensiunea în

domeniul 0-1V se utilizează un divizor de tensiune 1:10 inclus în sursa

de tensiune stabilizată S; Curentul este măsurat cu miliampermetrul

mA. Se determină punctele de pe caracteristica de polarizare inversă

utilizând pentru măsurarea curentului microampermetrul μA.

Citirea tensiunilor se va face în ambele măsurători cu un voltmetru

electronic numeric care să asigure o impedanţă ridicată de intrare şi o

precizie mare pentru valorile preluate. Rezultatele se trec într-un tabel

iar apoi se reprezintă grafic .

++

- -S

mA

VE D

a

b

anod

catod

+

-

S

A

V D

anod

catod


LUCRĂRI PRACTICE

34

4. Metoda vizualizării pe trasorul de caracteristici

(Caracteriscop)

Trasorul de caracteristici este un aparat electronic complex utilizat

pentru înregistrarea pe ecranul unui tub catodic a familiilor de

caracteristici atât la diode cât şi la tranzistoare. Tensiunile de polarizare

ale dispozitivelor testate, precum şi curenţii, sunt aplicaţi un timp scurt,

cu o frecvenţă de repetiţie coborâtă, fapt care permite determinarea unor

parametri limită fără distrugerea dispozitivului. Se pot afla curenţii şi

tensiunile maxime de funcţionare. Diodele se măsoară de obicei în

regim de impulsuri cu durata de 80-150 s la un factor de umplere mai

mic sau egal cu 1/100. Se evită astfel încălzirea joncţiunii.

Caracteriscopul permite sortarea rapidă a dispozitivelor electronice. Cu

ajutorul lui se poate stabili abaterea caracteristicilor electrice ale unei

componente faţă de o alta considerată etalon.

5. Mod de lucru în laborator.

În cadrul lucrărilor de laborator se trasează caracteristicile statice la

următoarele tipuri de diode: 1N4001, 1N4148, EFD103.

a) Se identifică componentele. Se iau din catalog valorile de lucru şi

valorile limită ale curentului şi tensiunii pentru fiecare componentă. Se

identifică terminalele.Diodele se montează prin intermediul unor

conectori miniatură pe o planşetă de lucru prevăzută cu borne la care

pot fi conectate ferm sursa şi aparatele de măsură necesare în circuit.

b) Se realizează montajul din figura 2 a. Divizorul rezistiv R1,R2 este

inclus în sursa de alimentare şi se activează printr-un comutator

basculant de pe panoul sursei.

c) Se modifică tensiunea debitată de sursa S şi se măsoară tensiunea pe

diodă şi curentul prin diodă valorile obţinute notându-se într-un tabel de

valori. Se determină tensiunea de deschidere VF0. Tensiunea şi

curentul nu trebuie să depăşească valorile maxime indicate în

catalog pentru dispozitivul testat. Va fi supravegheat cu atenţie

regimul termic al dispozitivului.



35

Atenţie ! La începerea determinărilor se va roti spre stânga butonul

potenţiometrului de reglaj al tensiunii sursei pentru a se obţine

iniţial tensiunea minimă.

d) Se determină rezistenţa diferenţială a diodei într-un punct dat al

caracteristicii statice directe (IQ, VFQ) cu ajutorul raportului:

Se calculează din valorile experimentale rezistenţa diferenţială a

diodei înainte de deschidere şi după deschidere şi se compară valorile

obţinute.

e) Se realizează montajul din fig. 2b, destinat trasării caracteristicii

inverse. Se modifică tensiunea debitată de sursa S, măsurându-se

tensiunea şi curentul prin diodă.Valorile obţinute se notează în tabelul

de date.

g) Se reprezintă grafic caracteristicile celor două diode folosind hîrtie

milimetrică sau un program adecvat pe calculator (ex. ORIGIN)

Cu ajutorul caracteriscopului se trasează automat caracteristicile

diodelor studiate. Se compară aceste caracteristici cu cele obţinute prin

trasarea punct cu punct.

Pentru a face o analiză atentă şi corectă a diodelor trebuie în prealabil

să se delimiteze domeniul parametrilor de lucru analizând fişele de

catalog ale dispozitivelor.

FIŞA TEHNICĂ

Caracteristici la diodele din seria 1N4000

| )ΔI

VΔ( = r V = V

Fd

FQF (4)

6,4mm

mmmm Catod marcat

masa = 0,4 g1N4001


LUCRĂRI PRACTICE

36

Caracteristici electrice principale:UR = 50...1000V, I0 = 1A (Tamb = 750C)

Valori limită absolute (Tamb =250C) 1N4001 1N4003 1N4005 1N4007 U.M.

VR (Tamb =250C) 50 200 600 1000 V

VRM (Tamb =250C) 50 200 600 1000 V

I0 (T amb= 750C) 1 1 1 1 A

IF (T amb= 750C) 1,15 1,15 1,15 1,15 A

IFRM ( T amb= 750C) 10 10 10 10 A

IFSM (10ms) 30 30 30 30 A

PD 1 W

Tstg - 65 …+ 150 0C

Tamb - 55 …+150 0C

Tj +150 0C

Rthj-amb 60 0C/

W

Caracteristici electrice Condiţii de măsură Max. U.M.

VF IF =1A (Tamb =250C) 1,1 V

IR UR = URM (Tamb = 250C) 5 μA

IRM UR = URM , (Tamb =1000C) 50 μA

Fig.3 Caracteristica directă : a-caracteristica tipică,

b-caracteristica maximă



37

Fig.4 Puterea disipată în conducţie directă PF , în funcţie de

curentul direct mediu IFAV

Fig.5 Curentul direct de vârf de suprasarcină accidentală IFSM

în funcţie de durata impulsului de suprasarcină,tp


LUCRĂRI PRACTICE

38

FIŞA TEHNICĂ

Caracteristici ale diodei 1N4148

Diodă de comutaţie ultrarapidă cu siliciu în structură planar-

epitaxială utilizată în comutare şi detecţie CAPSULA DO-35

Caracteristici electrice principale :UF (10 mA) = 1V, UR =75 V, toff = 4 ns)

Valori limită absolute (la Tamb = 250C)- Valoarea U.M.

VR 75 V

VRM 100 V

I0 75 mA

IFRM 225 mA

IFSM 500 mA

Ptot 250 mW

Tstg -65…+200 0C

Tj 200 0C

Caracteristici electrice (Tamb = 250C) Condiţii de măsură Max. U.M.

VF IF = 10mA 1 V

IR VR = 20V

VR = 75V

25

5

nA

μA

VBR IR = 100μA 100 V

Ctot capacitatea totală V = 0 4 pF

VFM tensiune directă tranzitorie IF = 50 mA, tp = 0,1 μs 2,5 V

toff timpul de comutare inversă IF = 10 mA, RL = 100Ω 4 ns

η randamentul de detecţie în

tens.

RL = 5KΩ, CL = 20pF

VI = 2Veff, f = 100 MHz

45 %

3,9mm

mmmm Catod marcat

masa = 0,14 g

1N4148

DO-35



39

Diodele de comutaţie se folosesc în circuitele cu funcţionare în

regim de impuls. Trecerea rapidă a diodei de la regimul de polarizare

directă la cel de polarizare inversă poate avea loc datorită reducerii

timpului de viaţă a purtătorilor mobili de sarcină din semiconductor

prin procese tehnologice de impurificare şi iradiere a

semiconductorului.

Fig.6 Curentul invers IR în funcţie de tensiunea inversă VR

FIŞA TEHNICĂ

Caracteristicile diodei tip EFD 104

Diodă cu germaniu cu contact punctiform în capsulă de sticlă destinată

utilizării în circuitele de detecţie pentru semnale video. Capsula DO-7


LUCRĂRI PRACTICE

40

Caracteristici electrice principale : VR = 25V ; I0 = 30mA

Valori limită absolute (Tamb=250C) Notaţia Valoarea U.M.

Tensiunea inversă continuă VR 25 V

Tensiunea inversă de vârf VRM 30 V

Curentul direct continuu IF 40 mA

Curentul direct de vârf IFM 90 mA

Curentul de suprasarcină accidentală (1s) IFSM 500 mA

Curentul mediu redresat I0 40 mA

Temperatura de stocare Tstg -55…+85 0C

Caracteristici electrice Condiţii de măsurare Valoarea U.M.

Tensiunea directă VF IF = 6 mA 1 V

Curentul invers IR VR =10V, Tamb = 700C

VR =24V, Tamb = 700C

VR =27V, Tamb = 700C

VR = 30V , Tamb = 700C

30

50

200

240

μA

μA

μA

μA

Randament de detecţie η η = V0/Vi x 100 34 %

Fig.7 Montaj de măsură în radiofrecvenţă (Vi=7Vef ,f=44MHz,

V0 = min 2,4V)

7,1mm

mmmm Catod marcat

masa = 0,2 g

inele colorate

33K 330p FVi V0

D



41

Fig.8 Caracteristica curent-tensiune la dioda EFD104

6. Diode stabilizatoare de tensiune (diode Zener)

Diodele stabilizatoare de tensiune sunt diode cu joncţiuni pn de

construcţie specială care funcţionează la polarizare inversă, în

regiunea de străpungere cînd tensiunea la bornele lor este practic

constantă la variaţii mari ale curentului. Străpungerea controlată a

joncţiunii apare prin efect Zener sau multiplicare în avalanşă a

purtătorilor de sarcină. Diodele Zener actuale sunt cu siliciu şi au

tensiuni de lucru cuprinse între 3V şi 200V. Caracteristica statică la

polarizare directă şi la polarizare inversă până în apropierea zonei de

străpungere este identică cu a unei diode redresoare obişnuite.

Străpungerea electrică apare la tensiunea specificată pe diodă şi

conduce la apariţia unor curenţi importanţi (10-2

- 10-1

A). care trebuie

limitaţi astfel încât să nu aibă loc distrugerea termică a joncţiunii.În

fig.9 este prezentată o caracteristică tipică de diodă Zener.


LUCRĂRI PRACTICE

42

Fig.9 Caracteristica tipică a unei diode Zener

Mărimi specifice diodelor Zener

Tensiunea de stabilizare VZ ,este specificată la un anumit curent

ce depinde de tipul diodei. Puterea disipată de diodă este egală cu

produsul VZIZ . Diodele cu tensiuni de lucru mici vor admite

curenţi mari iar diodele cu tensiune stabilizată ridicată vor

permite trecerea unor curenţi reduşi. Exemplu dioda PL 6V2Z are

VZ = 5,8-6,6V şi IZM = 100 mA, în timp ce dioda PL 180Z are VZ

= 168 – 191V şi IZM = 5 mA ,ambele făcând parte din aceeaşi

serie de diode stabilizatoare cu puterea de 1W în capsula F-126.

Faţă de valoarea marcată pe diodă există dispersia specificată în

fişele de catalog pentru tensiunea de străpungere (ca în exemplele

de mai sus), la temperatura de 250C. Pentru calculul valorii



43

tensiunii stabilizate în cazul încălzirii diodei la temperatura T se

utilizează coeficientul de temperatură al diodei , αVZ

(5)

αVZ are valori negative de ordinul (2..6) 10-4

/ 0C pentru diodele cu

tensiuni mai mici de (5,5…6) V şi valori pozitive de ordinul (1…10)

10-4

/ 0C pentru tensiuni mai mari de 6V. Schimbarea semnului se

datorează trecerii de la străpungerea prin efect Zener la străpungerea

prin multiplicare în avalanşă.

Rezistenţa diferenţială Rd, are două componente: rezistenţa

diferenţială a joncţiunii pentru cazul izoterm Rd j , şi rezistenţa

diferenţială de natură termică Rdth :

(6)

În cazul variaţiilor rapide de curent componenta Rdth ,poate fi

neglijată. În foile de catalog se indică de obicei mărimea Rd măsurată

la o frecvenţă de 1KHz.

Curentul maxim de stabilizare IZM.

Valoarea acestui curent este dictată de înscrierea funcţionării

diodei într-un regim de echilibru la care Tj ≤ TjMAX . Aşa cum s-a

specificat anterior cu cât tensiunea stabilizată este mai mare cu atât

curentul maxim admis este mai redus. În regim de impulsuri de scurtă

durată curentul IZM , poate fi depăşit cu condiţia ca puterea medie

disipată în diodă să menţină condiţia Tj ≤ TjMAX (dioda zener este

folosită în acest mod în circuite de protecţie la apariţia unor vârfuri

de tensiune).

ZI

Z

TZ

Z

Z

Zdthdjd

dI

dT

T

U

I

U

dI

dURRR

VZ(T) = VZ(T0) [1 + αVZ(T – T0)]


LUCRĂRI PRACTICE

44

Zgomotul diodelor stabilizatoare

Diodele Zener sunt dispozitive “zgomotoase” deoarece au ca

mecanism de funcţionare multiplicarea în avalanşă a

purtătorilor. La creşterea curentului IZ , tensiunea echivalentă de

zgomot prezintă maxime şi minime, străpungerea apărând în mai

multe puncte ale joncţiunii. Pentru reducerea zgomotului propriu

diodei se evită funcţionarea în regiunea de “cot” a caracteristicii

şi se recomandă “şuntarea” acesteia cu un condensator de

calitate având o capacitate de 10…100 nF.

În cadrul lucrării practice se studiază câteva exemplare de

diode Zener tip PL 9V1Z. Se utilizează montajul pentru trasarea

caracteristicilor la diode în regim de polarizare inversă (fig.11)

Fig.10 Montaj pentru trasarea caracteristicii la dioda Zener (se

înseriază cu dioda măsurată un rezistor de 68Ω/2W cu scop de

protecţie prin limitarea curentului).

FIŞA TEHNICĂ

Caracteristici la dioda PL9V1Z

- Diodă stabilizatoare de tensiune cu siliciu difuzat, aliată şi

+

-V DZ

an od

ca to d

mAR

E

6,4mm

mmmm Catod marcat

masa = 0,4 gPL9V1Z F-126



45

dublu difuzată pentru uz profesional în CAPSULA F-126. Răcire prin

convecţie. Caracteristici electrice (Tamb= 250C) Min. Tip. Max U.M.

VZ Tensiunea stabilizată 8,5 - 9,1 – 9,6 V

IZ Curentul nominal 50 mA

R d Rezistenţa diferenţială 4 Ω

αVZ Coeficientul de temperatură 5,1 10-4 0C-1

IR Curentul invers (UR = 3,5V) 1 μA

IZM Curentul maxim de stabilizare 100 mA

Tj Temperatura maximă a joncţiunii 150 0C

Tamb Temperatura ambiantă defuncţionare -50…+150 0C

Tstg Temperatura de stocare -50…+150 0C

Fig.12 Rezistenţa diferenţială a diodelor zener din seria PL


LUCRĂRI PRACTICE

46

în funcţie de tensiunea stabilizată şi de curentul prin diodă

Etape de lucru în cadrul studiului experimental al diodei zener

1. Se vor trasa caracteristicile la polarizare inversă pentru trei

exemplare de diode zener de acelaşi tip PL9V1Z , până la curenţi de

cca.90 mA.

2. Se va determina tensiunea de stabilizare nominală a diodei ca

fiind tensiunea măsurată la curentul de 50 mA prin diodă. Se vor

compara valorile obţinute evidenţiindu-se mărimea dispersiei pentru

tensiunea stabilizată de fiecare din cele trei exemplare.

3. Se vor reprezenta caracteristicile obtinute.

4. Se vor calcula şi compara rezistenţele diferenţiale ale diodelor la

diferiţi curenţi (1 mA, 10 mA, 20 mA, 50 mA, 80 mA) reprezentându-

se grafic dependenţa rezistenţei diferenţiale în funcţie de curentul care

străbate dioda.

5. Se va aduce una din diode intr-un regim de curent invers de

cca.100 mA (care constituie curentul maxim admis de dispozitiv) şi se

va observa calitativ modul în care se modifică tensiunea stabilizată la

creşterea temperaturii datorită disipaţiei termice în dispozitiv.

6. Pentru una din diode, se va trasa caracteristica la polarizare

directă şi se va compara cu caracteristica la polarizare directă a diodei

1N4001.

7. Se va calcula de pe una din caraceristicile la polarizare inversă

variaţia puterii disipate pe diodă în funcţie de curentul care o strabate

şi se va reprezenta grafic această dependenţă.

Notă : Pentru măsurarea tensiunii pe diodele zener se va folosi un

voltmetru numeric de calitate capabil să evidenţieze micile variaţii de

tensiune care apar la modificarea curentului prin dispozitiv.

Date post:	29-Dec-2015
Category:	Documents
Upload:	cbcornel
View:	28 times
Download:	1 times

Lucrarea Nr.3-Dioda Semic

Documents