Ústav Fyzikálnej elektroniky Prírodovedeckej fakulty Masarykovej
univerzity
Pokročilé praktikum z elektroniky
Zpracoval: Katarína Bernátová
Namerané: 13.10.2015
Úloha c. 2:    Meranie    zotavovacej     doby PN prechodu
1. Zadanie
Meranie zotavovacej doby PN prechodu pre rôzne druhy diód a niekoľko velkostí pracovných prúdov.
Použité diódy: 1N4007 (usmerňovacia), 1N4148 (signálová), BA159 (rýchla dióda), MUR160 (veľmi rýchla dióda), 1N5819 (Schottky dióda).
2. Teória
2.1. PN prechod
PN prechod vytvoríme spojením dvoch polovodičov a to polovodiču typu P a polovodiču typu N na mikroskopickej úrovni. Po vytvorení PN prechodu bude dochádzať k difúzii dier z polovodiča typu P do polovodiča typu N (obr.l). V polovodiči typu N diery rekombinujú s elektrónmi. Pri rozhraní oboch polovodičov sa v polovodiči typu P nachádzajú elektricky nevykomenzované nepohyblivé záporné ióny - akceptory. Analogicky dochádza k difúzii elektrónov z polovodiča typu N do polovodiča typu P, kde rekombinujú s dierami. Potom pri rozhraní oboch polovodičov v polovodiči typu N vznikajú nepohyblivé nevykompenzované kladné ióny, donory (obr.2). V oblasti prechodu vzniká depletičná oblasť (hradloví vrstva) s elektrickým poľom, ktorého intenzita smeruje z oblasti polovodiča N do oblasti polovodiča P (obr.3). Driftové sily tohto elektrického poľa bránia ďalšiemu prenikaniu elektrónov a dier do oblasti prechodu PN (obr.4). V oblasti prechodu dochádza k rovnovážnemu stavu (drift, sily = difúz.sily). V tejto oblasti sa nenachádzajú žiadne častice s nábojom, preto má táto vrstva velký odpor.
Obr. 1:
Obr. 2:
Obr. 3:
přechod (Kradlo)
Obr. 4:
P N prechod môžeme následne zapojiť do obvodu jednosmerného prúdu a to dvoma možnosťami. Ak pripojíme PN prechod tak, že oblasť P pripojíme ku kladnému pólu zdroja, vzniká v polovodiči pôsobením zdroja elektrické pole, ktoré je orientované proti poľu depletačnej oblasti (obr.5). Dôjde tak k zúženiu depletačnej vrstvy a obvodom prechádza elektrický prúd. PN prechod je tak zapojený v priepustnom smere.
Ak by sme zapojili ku kladnému pólu oblasť N, depletačná oblasť (oblasť, kde sa nenachádzajú voľní nositelia nábojov) sa zväčší. PN prechodom tak neprechádza žiaden prúd a je teda zapojený v závernom smere (obr.6)[lj.
«-0
'CH
-o-+
O-K
N
- +
Obr. 5:
Obr. 6:
2.1..1 Rovnica diódy
Shockleyho rovnica ideálnej diódy pre vzťah prúdu v oboch smeroch PN prechodu.
t t í (eUD, ^ / = /o(e^Ť)-1)
U - napätie na PN prechode
Ux - teplotné napätie (cca 26 mV)
Priepustný smer
U > UT 1« Io(e^)
Rd « UT/I
Záverný smer
U > |U T | I>Io
3. Dióda
Dióda je tvorená jedným PN prechodom. Schématická značka a štruktúra diódy je ukázaná na obrázku č. 7.
V priepustnom smere je dióda zapojená ak je anóda (vrstva P) proti katóde (vrstva N) polovaná kladne (je zapnutá). Diódou potom prechádza priepustný prúd ip (určený záťažou) a je na nej priepustné napätie.
2
Q
2
K
A
P
F K
N
Ô
ô
Obr. 7: Schéma diódy a PN prechodu
Pri opačnej polarite napätia je dióda v závernom smere (je vypnutá). Na dióde je závěrné napätie Vr určené veľkosťou vonkajšieho zdroja a prechádza ňou závěrný prúd [r [2].
3.1. Voltampérova charakteristika
Voltampérova charakteristika je zobrazená na obrázku č.8. Má dve vetvy a to priepustnú a závernú.
Priepustná vetva charakterizuje priepustný stav PN prechodu. Dôležité parametre sú priepustné prahové napätie Uxo a diferenciálný priepustný odpor ľ p, definovaný v určitom pokojovom bode
Závěrný stav charakterizuje závěrná vetva. Dôležitými parametrami sú diferenciálný závěrný odpor a závěrné prierazné napätie V br- Po prekročení hodnoty Vbr sa mnohonásobne zmenší hodnota tr. Velkost' prúdu je potom podstatne závislá na napätí a odporu obvodu, v ktorom je dióda zapojená. S predpokladom neobmedzeného nárastu prúdu dochádza k deštrukcii diódy [2].
ako rF=fp
JJv,- ma.*, přípustná hodnota proudu
Obr. 8: Voltampérova charakteristika PN prechodu
3
3.2. Zotavovacia doba diódy
Pri prechode diódy z priepustného stavu do závěrného sa prejavuje určitá zotrvačnosť nosičov náboja. To sa prejaví zvýšením závěrného prúdu po určitú dobu. Túto dobu nazývame závěrná zotavovacia doba diódy. Všeobecne to môžeme nazývať komutácia diódy.
bf průběhy a zvětšení oblasti komutace
Obr. 9: Zobrazený prechod pracovného stavu diódy
Na obrázku č.9 je zväčšená oblasť prechodu pracovného stavu diódy. Veľkosť danej špičky (zväčšená oblasť na obr.č.9) v závernom smere je jedným z parametrov kvality diód. Veľkosť špičky je daná ako veľkosťou vrcholu tak hlavne dobou trvania. Táto doba trvania je naša doba zotavovania diódy. Jej hodnota sa pohybuje v rozsahu rádovo 1-100 ns. Doba kedy vplyv komutácie končí sa nazýva ustálený závěrný prúd.
Ak by dióda s určitou dobou komutácie mala spracovávať kratšie impulzy dostane sa dióda do stavu, kedy nestačí (z časových dôvodov) v závernom smere rehabilitovať a klesá jej usmerňovači účinok. Výrobca preto udáva primeranú hodnotu kmitočtu, kedy je dióda efektívna. Túto hodnotu nazývame medzný kmitočet diódy, ktorý zvykne byť uvádzaný v katalógu [4].
3.3. Použité diódy
1. Usmerňovacia dióda 1N4007 Druh diódy (obr.č. 10), ktorý využíva práve vlastnosti P N prechodu, ktorý sme opísali vyššie.
Parametre diódy sú, kde \Jrrm - opakujúce sa napätie v závernom smere maximálne (maximal reverse recovery), lF - prúd v priepustnom smere, V p - napätie v priepustnom smere, V p - zotavovacia doba [3]:
Urrm=1000 V, IF=1A, UF=1,1 V, trr= 2000 ns
—M-
Obr. 10: Príklad usmerňovacej diódy
4
2. Signálová dióda 1N4148
Parametre:
\Jrrm=W0 V, IF=200 mA, UF=1 V, trr= 4 ns
Obr. 11: Príklad signálovej diódy
3. Rýchla dióda BA159
Parametre:
Urrm=1000 V, IF=1 A, UF=1,3 V, trr= 500 ns
4. Veľmi rýchla dióda MUR160
Parametre:
Urrm=600 V, IF=1 A, UF=1,25 V, trr= 50 ns
5. Schottkyho dióda 1N5819
Parametre:
Urrm=40 V, IF=1 A, UF=0,6 V, trr= ? ns
4. Postup merania
Cieľom úlohy je zmerať zotavovaciu dobu PN prechodu pre 5 rôznych druhov diód a niekoľko velkostí pracovných prúdov, vyhovujúcich danej dióde.
Danú diódu zapojíme podľa nasledujúcej schémy zobrazenej na obrázku č.12. Do obvodu zapojíme zdroj striedavého napätia paralelne s diódou. Do série s diódou zapojíme záťaž, napríklad rezistor. Pracovnú dosku pre zapájanie nášho obvodu je ukázaný na obrázku č. 13.
ose
R
Obr. 12: Schematické zapojenie pre diódu
5
Obr. 13: Pracovná doska pre zapojenie jednotlivých komponent
Paralelne s diódou zapojíme tiež osciloskop, a meriame amplitúdu napätia. Následne čas medzi hranou signálu a bodom keď je napätie na dióde ustálené odčítame z osciloskopu ako zotavovaciu dobu PN prechodu danej diódy (obr. 14).
Obr. 14: Príklad výstupu z osciloskopu, kde na hornom kanáli môžeme pozorovať krivku pre zotavovaciu dobu PN.
6
5. Literatura
(1) fyzika.jreichl.com/main.article/view/265-fyzikalni-podstata-prechodu-pn
(2) feil.vsb.cz/kat430/data/vsp/vsp-predn.pdf
(3) gme.cz/dioda-ln4007-p220-002
(4) amapro.cz/datovezdroje/katalogy/tesla/diody.php
7