Ustav fyzikální elektroniky Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity
POKROČILÉ PRAKTIKUM Z ELEKTRONIKY
Návod k úloze č. 2:   Měření zotavovací doby PN přechodu
Zadání úlohy číslo 2	
Měření zotavovací doby PN přechodu pro různé druhy diod a několik velikostí pracovních	
proudů.	
Použité diody: 1N4007	(usměrňovači)
1N4148	(signálová)
BA159	(rychlá dioda)
MUR160	(velmi rychlá dioda)
1N5819	(Schottkyho dioda)
1. Teorie
Dioda patří mezi základní součástky elektronických obvodů, jedná se o nejjednodušší polovodičovou součástku se dvěma vývody (katoda a anoda). Používá se především kvůli svým usměrňovacím vlastnostem, které vycházejí z její voltampérové charakteristiky.
1.1. PN přechod
Jedním z nejdůležitějších fyzikálních jevů pro elektroniku je funkce PN přechodu. Pokud spojíme dva odlišné typy polovodičů (P typ a N typ) na atomové úrovni, vznikne PN přechod. Pásová struktura polovodičů je typická tím, že Fermiho hladina leží v oblasti zakázaných energií.
Typ P a N se liší koncentrací nosičů náboje. V polovodiči typu P je vyšší koncentrace děr a Fermiho hladina je posunuta k nižším energiím. U polovodiče typu N jsou elektrony majoritními nosiči náboje a Fermiho hladina se nachází těsně pod vodivostním pásem.
Pokud tyto dva typy polovodičů spojíme, vznikne pásová struktura znázorněná na obr. 1. V rovnovážném stavu jsou Fermiho hladiny vyrovnány a kvůli difuznímu a driftovému proudu vzniká depletiční oblast (oblast bez volných nosičů náboje). V pásové struktuře lze také vidět potenciálový spád, který se projevuje vlastním elektrickým polem přechodu.
Obrázek 1: Schématicky znázorněná pásová struktura PN přechodu v rovnovážném stavu. O díry • elektrony
1.2. VA charakteristika
Připojíme-li PN přechod na zdroj stejnosměrného napětí, projeví se to v pásové struktuře. Na obrázku 2 je vidět případ, kdy byla kladná větev zdroje napojena na polovodič typu N. Vlivem elektrického pole se PN přechod stává pro elektrony potenciálovou bariérou.
Dochází k rozšíření depletiční zóny a přes bariéru nemohou přecházet majoritní nosiče náboje. Závěrný proud je malý a způsoben minoritními nosiči náboje.
Obrácením polarity stejnosměrného zdroje dojde k opačnému posunu pásových struktur (viz obr. 3). V tomto případě je pro elektrony energeticky výhodné přejít z polovodiče N do polovodiče P (naopak pro díry). Nosiče náboje se dostávají do oblasti depletiční zóny a teče jí proud.
Obrázek 3: Schématicky znázorněná pásová struktura při zapojení PN přechodu v propustném směru.
Závislost proudu na napětí popisuje Shockleyho rovnice pro ideální diodu
I = h[e^-iy    UT = —, (1)
ve které Iq je proud v závěrném směru, Ud přiložené napětí na diodě a Ut je teplotní napětí PN přechodu. Exponenciální závislost je pro diodu typická a ukazuje její usměrňovači vlastnosti.
2
1.3. Zotavovací doba diody trr
Při přechodu diody z propustného stavu do závěrného stavu se projevuje setrvačnost nábojů v depletiční zóně. Důsledkem je zvýšení závěrného proudu po určitý časový úsek, dokud nedojde k zotavení PN přechodu (vyprázdnění depletiční zóny). Kvalitu diody pro vf frekvence určuje právě zotavovací doba diody trr a velikost maxima závěrného proudu írm při změně stavu diody.
V datových listech je zotavovací doba definována různě. Často se trr definuje jako časová doba mezi okamžikem přechodu diody do závěrného směru a okamžikem kdy klesne proud na desetinu maxima. Na obrázku 4 je znázorněn průběh proudu a určení zotavovací doby.
2. Postup měření
Při měření zotavovací doby zapojte obvod podle schématu 1. Frekvenční generátor nejprve nastavíte na sinusový průběh a zvolíte požadovanou frekvenci. V tomto zapojení první kanál osciloskopu sleduje napěťový signál frekvenčního generátoru a druhý kanál sleduje napětí na odporu R. Napětí na odporu R odpovídá průběhu proudu tekoucího diodou Dl, u které měříte zotavovací dobu.
Oscilloscope
□□□□□o
|OOOOCI| Q O □
a o a
iuuu
□ □ a o o □ o o □
® ® ® ®
□od ood @®(2>@
Schéma 1: Měření zotavovací doby diody.
Zotavovací dobu PN přechodu určete měřením časového úseku na osciloskopu podle předchozí části návodu. Pro měření může být výhodné změnit signál frekvenčního generátoru na čtvercové vlny a upravit frekvenci. Vyzkoušejte si jak se projeví změna frekvence na trr.
Před zapojením obvodu si vypočtěte proud procházející diodou a porovnejte ho s If. Určete zotavovací dobu pro všechny diody a určete vývoj zotavovací doby pro různé proudy diodou. Vysvětlete frekvenční závislost trr. Porovnejte jednotlivé diody a určete, které jsou vhodné pro vysokofrekvenční signály.
3
2.1. Parametry diod
Konstrukcí PN přechodu v diodě je možné zotavovací dobu ovlivnit. Pro aplikační účely existují diody s velmi krátkou zotavovací dobou (jednotky ns). V tabulce níže jsou vidět parametry jednotlivých diod.
Tabulka 1: Parametry diod použitých při měření
Dioda	Urrm [V]	uf [V]	[A]
1N4007	1000	1.10	1.0
1N4148	75	1.00	0.2
BA159	1000	1.30	1.0
MUR160	600	1.25	1.0
1N5819	40	0.60	1.0
Značení:
Urrm špičkové opakovatelné napětí na diodě v závěrném směru
Uf pracovní napětí na diodě v propustném směru
If pracovní proud diodou v propustném směru
4