Ústav fyzikální elektroniky Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity
POKROČILÉ PRAKTIKUM Z ELEKTRONIKY
Návod k úloze č. 1: Tepelná závislost PN přechodu
Zadání úlohy číslo 2
Měření tepelné závislost VA charakteristiky PN přechodu v propustném i závěrném směru
signálové diody a tepelné závislosti průrazného napětí Zenerovy diody pro dvě velikosti proudu
(např. 0,1 mA a 5,0 mA).
Rozsah teplot měření od 20◦C do 80◦C.
Průrazné napětí Zenerových diod: BZX 55C8V2 UZ = 2, 7 V
BZX 55C2V7 UZ = 8, 2 V
1. Teorie
Dioda je nejjednodušší polovodičová součástka, má dva vývody (katoda, anoda). Je tvořena spojením
dvou typů polovodičů na mikroskopické úrovni, typem P a typem N. Na rozhraní polovodičů
P a N vzniká tzv. PN přechod, který má zásadní význam v elektronice.
1.1. PN přechod – dioda
Polovodiče typu N a typu P se odlišují typem majoritních nosičů volného náboje. Polovodič typu
P má vyšší koncentraci děr, polovodič typu N má vyšší koncentraci elektronů. Kvůli gradientu koncentrací
začne docházet k difuzi děr do polovodiče N a elektronů do polovodiče P – vznikne difuzní
proud (viz obrázek 1).
Kvůli difuzi majoritních nosičů náboje dochází ke vzniku nepohyblivých iontových zbytků, které
vytvoří v oblasti přechodu vlastní elektrické pole. Elektrické pole způsobí injektáž minoritních nosičů
náboje, děr do typu N a elektronů do typu P – vznikne driftový proud.
Dojde k ustálení do rovnovážného stavu, kdy difuzní a driftový proud je stejně velký. Díry a
elektrony v oblasti přechodu rekombinují, a vytváří se tak depletiční zóna – zóna bez volných nosičů
náboje.
n typp typ
difuze děr
difuze elektronů
n typp typ
drfit elektronů
drift děr
depletiční oblast
Obrázek 1: Schématicky znázorněný PN přechod.
1.2. VA charakteristika diody
Mějme jednoduchý obvod se stejnosměrným zdrojem napětí, diodu do něj můžeme zapojit dvěma
způsoby. Kladnou větev můžeme zapojit na katodu (polovodič typu N) nebo na anodu (polovodič
typu P). V obou případech je ovlivněna šířka depletiční zóny v přechodu.
V případě, že připojíme kladné napětí na anodu, vznikne elektrické pole v opačném směru vlastního
el. pole PN přechodu. Dojde k oslabení celkového el. pole v oblasti přechodu, a tedy snížení driftového
proudu. Zmenší se depletiční zóna, difuzní proud začne mít hlavní význam a PN přechodem začne
téct proud.
V druhém případě kdy připojíme na anodu záporné napětí, dojde k posílení vlastního el. pole PN
přechodu a rozšíření depletiční zóny. PN přechodem prochází jen malý závěrný proud, který je tvořen
driftovým proudem.
Závislost proudu na napětí popisuje Shockleyho rovnice pro ideální diodu
I = I0 e
UD
UT − 1 , UT =
kT
e
, (1)
ve které I0 je proud v závěrném směru, UD přiložené napětí na diodě a UT je teplotní napětí PN
přechodu.
Na obrázku 2 je znázorněna voltampérová charakteristika diody v závislosti na teplotě okolí diody.
Maximální proud diodou je dán konstrukcí PN přechodu. Při vysokém propustném proudu dojde
k přehřátí diody vedoucí k jejímu zničení. V závěrném směru propouští dioda malý závěrný proud.
Závěrný proud prudce vzroste při překonání průrazné napětí, kdy dochází u klasických diod k jejich
zničení.
Obrázek 2: VA charakteristika křemíkové diody v závislosti na teplotě okolí.
Teplotní závislost vyplývá z vlastností mikroskopické struktury P a N polovodičů. Přechod elektronů
z valenčního do vodivostního pásu je spojen s Fermi-Diracovou statistikou, která je závislá na
teplotě. Při zvýšení okolní teploty dochází k častější generaci páru elektron-díra. V diodě se tedy
nachází více nosičů náboje, a proto proud roste.
2
1.3. Zenerova dioda
Zenerova dioda má speciálně konstruovaný PN přechod tak, aby se dala používat v průrazné
režimu. Klasické diody po překonání průrazného napětí jsou dále k usměrnění signálu nepoužitelné.
Pracovní oblast Zenerovy diody se nachází právě v oblasti průrazu, tento průraz je však vratný. Na
následujícím grafu je vidět VA charakteristika Zenerovy diody s vyznačenou pracovní oblastí.
Obrázek 3: Pracovní oblast Zenerovy diody.
Nejčastěji se Zenerovy diody využívají jako stabilizátory napětí, protože mají dobře definované
průrazné napětí (Zenerovo napětí). V obvodu jsou tak tyto diody nejčastěji zapojeny v závěrném
směru.
Rozlišujeme dva typy průrazu, lavinový a tunelový. Lavinový průraz je typický kladným teplotním
součinitelem. V principu dochází k ionizaci nárazem, kdy jednotlivé nosiče získají dostatečnou energii
ke generování dalších párů elektron-díra.
Tunelový průraz je způsoben kvantově mechanickým jevem, kdy nosiče nábojů jsou schopné tunelovat
skrz potenciálovou bariéru ve formě depletiční zóny. Tunelový průraz kvůli odlišnému principu
má oproti lavinovému průrazu záporný teplotní součinitel.
2. Postup měření
Úkolem je určit tepelné závislosti PN přechodu (tepelnou závislost VA charakteristiky a tepelnou
závislost Zenerova napětí). K dispozici máte pole nepájivých spojů, ampérmetr, voltmetr a regulovatelný
zdroj stejnosměrného napětí, sadu rezistorů, sestava tranzistoru s chladičem a několik Zenerových
diod.
Obrázek 4: Znázornění diody a umístěný katody na diodě.
3
2.1. Měření tepelné závislosti VA charakteristiky diody
Pro měření VA charakteristiky musíte zároveň určit napětí na součástce a proud, který jí prochází.
Obvod zapojte podle schématu 1, zapojení slouží k měření v závěrném a propustném směru. Zdroj
napětí je nastavitelný a rezistor R je dělič napětí.
Při měření využijete místo standardní diody tranzistor, který má spojenou bázi a kolektor. Tranzistor
je pevně umístěn na chladiči, který v tomto případě slouží jako termostat.
V
A
V
ARR
Schéma 1: Měření VA charakteristiky v propustném (vlevo) a závěrném směru PN přechodu.
Nejprve změřte okolní teplotu tranzistoru kontaktním termočlánkem a určete VA charakteristiku
pro pokojovou teplotu. Následně umístěte sestavu tranzistoru a termostatu na ohřívač a zapněte ohřívání.
Nezapomeňte měřit teplotu na tranzistoru. Určete tepelnou závislost napětí na PN přechodu při
konstantním proudu. Po zahřátí na cca 80◦C znovu změřte VA charakteristiku.
2.2. Měření tepelné závislosti průrazného napětí Zenerovy diody
K dispozici máte několik Zenerových diod, u kterých máte určit chování Zenerova napětí při zvýšení
teploty. Zenerovu diodu zapojte do obvodu v závěrném směru.
V
AR
Schéma 2: Měření tepelné závislosti průrazné napětí Zenerovy diody.
Za pokojové teploty určete Zenerovo napětí a následně umístěte diodu do termostatu. Ohřejte jej
opět na cca 80◦C a určete UZ. Z měření určete o jaký typ Zenerovy diody se jedná a porovnejte
zpracovaná s údaji v katalogovém listu.
2.2..1 Výřez z katalogového listu pro použité Zenerovy diody
Typ Uznom [V] IzT [mA] UzT [V] TKvz[%/K]
BZX 55/C 2V7 2.7 5 2,5 – 2,9 -0,09 – -0,06
BZX 55/C 8V2 8.2 5 7,7 – 8,7 0,03 – 0,08
Uznom nominální Zenerovo napětí
UzT rozsah Zenerova napětí při testovacím proudu IzT
TKvz teplotní koeficient v procentech Uznom
4