Dioda Semiconductoare

Dioda Semiconductoare

Scopul lucrarii:

Lucrarea isi propune sa ridice caracteristicile unor diode semiconductoare si sa le determine principalii parametrii; de asemenea studiem comportarea diodei in circuite elementare.

Elemente teoretice:

Caracteristica statica curent-tensiune a unei diode semiconductoare dedusa prin analiza fenomenelor ce au loc intr-o jonctiune pn (ideala) este data de legea:

(1)

In aceasta relatie reprezentata grafic in fig.1 (ca exemplu), I₀ este curentul de saturatie al diodei ce poate fi aflat (teoretic) din relatia:

(2)

In acesta formula apar parametrii fizici ai jonctiunii pn:

S-suprafata jonctiunii; n_I-concentratia intrinseca de purtatori;

D_n ,D_p-coeficientii de difuzie;    L_n ,L_p-lungimile de difuzie ale purtatorilor de sarcina;

N_n ,N_d-concentratiile de impuritati;

Mai apare si 1< <2 care este un coeficient ce rezulta din considerarea efectului de recombinare din zona de sarcina spatiala la tensiuni de polarizare directe mici.

Marimile I₀ si se determina (grafic) prin reprezentarea ecuatiei diodei la scara semilogaritmica (ca in fig.2-tensiunea la scara liniara si intensitatea la scara logaritmica). Panta dreptei obtinute permite calcularea coeficientului cu relatia:

(3)

Prin prelungirea aceleiasi drepte, la intersectia cu axa ordonatei, se obtine curentul de saturatie I₀.

Dependenta de temperatura a caracteristicii statice a unei diode este foarte puternica, curentul de saturatie dublandu-se la fiecare 10 grade (la germaniu) respectiv 6 grade (la siliciu).

La polarizare inversa, curentul este constant egal cu -I₀.Tensiunile de strapungere depind de material, si sunt cu atat mai mici cu cat concentratia de impurtitati este mai mare. La tensiuni directe mari caracteristica statica tinde sa se liniarizeze datorita caderilor de tensiune pe zonele neutre ale jonctiunii PN.

Pentru circuitul din fig.3, Punctul Static de Functionare (PSF) se determina din sistemul format din ecuatia (1) si ecuatia dreptei statice de functionare:

In acest punct M(U_A,I_A) dioda are o rezistenta dinamica ce se determina cu relatia:

Experimental se determina prin calculul pantei caracteristicii statice in punctul M.

La diodele Zener rezistenta dinamica a diodei se calculeaza conform relatiei:

Desfasurarea lucrarii:

Pentru aceasta se foloseste montajul din fig.4 ce da curent continuu la bornele 7(0-50mA) si 8(max.500mA) si diodele: D₁-EFR 136 (dioda redresoare cu germaniu), D₂-BA 243(dioda din siliciu), D₃-BZX 85 C7V5(dioda stabilizatoare de tensiune).

Montajul se conecteaza la o sursa de curent continuu la bornele 3(+5V) si 2 (masa).

Se foloseste montajul din fig.5 (cu un miliampermetru si un voltmetru, preferabil digital) pentru ridicarea caracteristicilor diodelor. Pentru dioda EFR 136 se foloseste borna 8 (curenti max.500mA), pentru celelalte doua diode se foloseste borna 7. Rezultatele obtinute au fost trecute in urmatorul tabel:

Pe hartia milimetrica atasata s-au trasat, la scara semilogaritmica, caracteristicile celor trei diode.De asemenea, folosind formulele de la punctul 2) s-au calculat (pe baza graficelor) I₀ si Al patrulea grafic reuneste, pe intervalul de intensitati comun, caracteristicile statice ale diodelor folosite.

Pentru dioda BA 243 s-a trasat si dreapta statica de functionare (cu E=5V si R=820 ohmi), determinandu-se PSF(660mV, 5.5mA). Astfel se poate determina rezistenta dinamica pe cale grafica: r_{d grafic}=120 ohmi. Pe cale teoretica (cu formula de la 2), ea are valoarea: r_{d teoretic}=96 ohmi. Discrepanta ce apare se poate explica prin imposibilitatea determinarii exacte a valorii citite pe hartia milimetrica.

Pentru dioda BA 243 se calculeaza PSF cu ajutorul circuitului alaturat pentru E=4V, 5V si 6V.Rezultatele obtinute sunt:

La 4V - PSF (640mV, 4mA); la 5V - PSF (660mV, 5,3mA); la 6V - PSF(670mV, 6,5mA). Se observa ca valorile obtinute experimental (la 5V) sunt foarte apropiate cu cele calculate folosind reprezentarile grafice.

Cu acelasi montaj, la E=5V, pentru dioda EFR 136 se obtine PSF (150mV, 5,9mA).

Pentru diodele EFR 136 si BA 243 se foloseste montajul de mai jos pentru a masura curentul invers la E=0V, -5V, -10V, -20V. Rezultatele obtinute sunt:

Pentru masurarea caracteristicii inverse a diodei BZX 85 C7V7 se foloseste montajul din dreapta. Valorile ce s-au obtinut sunt:

Pe hartia milimetrica s-a trasat caracteristica inversa, impreuna cu cea directa, la aceasta dioda. Rezistenta dinamica a diodei in punctul I=10mA este r_d=11 ohmi.

Observatii finale:

Dupa cum se constata, caracteristicile curent-tensiune ale diodelor sunt asemanatoare cu cele teoretice, discrepantele aparand cateodata datorita imposibilitatii de a trasa pe hartia milimetrica valorile exacte.

Aceasta se rasfrange si asupra calculelor ce se bazeaza pe citirile de pe grafice, facand ca rezultatele calculate "teoteric" sa difere de cele obtinute grafico-analitic.