I. Félvezető diódákTantárgy: Villamos mérések 2.

Szakközépiskola 12. évfolyam számára

Farkas Viktor

� Bevezetés

� Szilícium- és Germá-nium diódák

� A fénykibocsátó dió-da (LED)

� Zener dióda

� Mérési elrendezések és a mérések leírása

� Az elektronika egyik legfontosabb építőelemei közé tartoznak a félvezető eszközök, közülük is a diódák. Melyek alapanyaga lehet szilícium (Si) vagy germánium (Ge), fénykibocsátó dióda esetén pedig többnyire gallium-arzénid (GaAs).

� A félvezető eszközök megjelenése előtt az egyeni-rányítást vákuumdiódák vagy mechanikai egyeni-rányítók segítségével oldották meg.

� Méréseink során megismerkedünk a félvezetőeszközök viselkedésével és néhány tulajdonságá-val.

1. Szilícium és Germánium diódák

a.) Rajzjele

b.) A mérés célja

� Az áteresztő és a záró tartomány vizsgálata. Az egyenáramú és a differenciális (dinamikus) ellenállás meghatározása a mért jelleggörbéből.

� A gyakorlatban a germánium (Ge) és a szilícium (Si) dióda egyenirányításra, demodulálásra, kapcsolóelemként stb. használható.

c.) Jelleggörbéje

Mivel a diódák ellenállása záróirányban nem végtelen, így záróirányúáram is folyik! Ebből határozhatjuk meg a záróirányú jelleggörbét. A félvezető dióda működése a rákapcsolt feszültség polaritásától függően változik. Ha nyitóirányban kapcsoljuk rá a feszültséget, a PN-átmenet kis ellenállást, ha záróirányban, akkor nagy ellenállást mutat.

� A nyitóirányú jelleggörbe szakasz három részre osztható:� A küszöbfeszültséggel határolt indulóáram tartomány� A nagy meredekségű áteresztő tartomány� A telítési tartomány

� A záróirányú jelleggörbe szakasz két részre osztható:� A záró tartomány� A Zener tartomány

A záróirányú jelleggörbe szakasz jellemzője a nagy negatív feszültség-tartomány.

d.) Viselkedése egy adott munkapontban

� A jelleggörbe bármelyik pont-ja a dióda valamely lehetséges

állapotának, munkapontjának felel meg. A munkapontban a diódának kétféle ellenállását adhatjuk meg:

� Egyenáramú ellenállás: Re = U/I a nemlinearitásból adódik, hogy nem állandó, hanem minden munkapontban más értékű

� Differenciális (dinamikus) ellenállás: Rd = du/di adott munka-pontban adott áramváltozáshoz tartozó feszültségváltozás

e.) Katalógusadatok

� Kisjelű Si dióda: 1N4148� Tokozás: DO-35 (üveg tok)� Névleges áram (If): 10 mA� Nyitóirányú feszültség adott If mellett (Uf): 1 V� Megengedett záróirányú csúcsfeszültség (Urrm): 100 V� Záróirányú szivárgási áram (Ir): 25 nA� Záróirányú regenerálódási idő (tr): 8 ns� Rétegkapacitás adott feszültségen (Cm): 4 pF

A Si diódák küszöbfeszültsége kb.0,5-0,7 V a Ge diódáké kb.0,2-0,3 V

2. A fénykibocsátó dióda (LED)

A LED (Light Emitting Diode) olyan félvezető dióda, amely a villamos energiát közvetlenül alakítja át fényenergiává. (Közvetlen átalakí-tásnál a fényenergia nem hőenergi-ából keletkezik izzítással!) A lyukak és az elektronok rekombinációja során fénykvantum keletkezik, melynek hullámhossza függ a félve-zető anyagától. Záróirányú előfeszí-téskor nincs fénykibocsátás.

a.) Rajzjele

b.) A mérés célja

� Az áteresztő tartomány vizsgálata. Az egyenáramú és a differenciális (dinamikus) ellenállás meghatározása a mért jelleggörbéből.

� A piros és a sárga (GaAsP), valamint a zöld (GaP) diódák a legelter-jedtebbek. Hasonló a félvezető dióda nyitóirányú karakterisztiká-jához, de az áram nagyobb feszültségnél indul meg. (~ 1,6V-2,4V)

3. Zener dióda

A Zener tartományban a feszültség kismértékű megváltozása az áram nagymértékű megváltozását vonja maga után. Ennél a diódatípusnál a hirtelen záróirányú áramnövekedés nem okoz azonnali átütést a letörési feszültség feletti tartományban.

Legnagyobb letörés ötvözött Si alap-anyagú Zener diódák esetében van. A letörés Uzo Zener feszültségnél követ-kezik be, ahol Iz minimális. Látható, hogy a letörés utáni Zener tartomány stabilizáló tulajdonságot mutat.

a.) Rajzjele

b.) A mérés célja

� A záróirányú jelleggörbe felvétele. Letörési feszültség meghatározása. Az egyenáramú és a differenciális (dinamikus) ellenállás meghatározása a mért jelleggörbéből.

Si dióda jelleggörbéjének meghatározása (mérésutasítás)

� Mérd meg a Si dióda nyitóirányú áramát az alábbi nyitóirányú feszültségek mellett: Uf [mV] = 300; 350; 400; 425; 450; 475; 500; 525; 550; 575; 600; 625; 650; 675; 700

� Mérd meg a Si dióda záróirányú áramát az alábbi záróirányú feszültségek mellett: Ur [V] = 1; 2; 5; 10; 15; 20; 25; 30

� A mérési eredmények alapján határozd meg a differenciális ellenállást (Uf = 700-675mV-os tartomány-ban) és az egyenáramú ellenállást (If=5mA-nél)!

� Ábrázold a mérési eredményeket!

Ge dióda jelleggörbéjének meghatározása (mérésutasítás)

� Mérd meg a Ge dióda nyitóirányú áramát az alábbi nyitóirányú feszültségek mellett: Uf [mV] = 100; 150; 175; 200; 225; 250; 275; 300; 325; 350; 375; 400; 500; 600; 700

� Mérd meg a Ge dióda záróirányú áramát az alábbi záróirányú feszültségek mellett: Ur [V] = 1; 2; 5; 10; 15; 20; 25; 30

� A mérési eredmények alapján határozd meg a differenciális ellenállást (Uf = 500-400mV-os tarto-mányban) és az egyenáramú ellenállást (If=3mA-nél)!

� Ábrázold a mérési eredményeket!

Zener dióda jelleggörbéjének meghatározása (mérésutasítás)

� Mérd meg a Zener dióda záróirányú feszültségét az alábbi zárói-rányú áramok mellett: Iz [mA] = 0,2; 0,4; 0,8; 1,5; 3; 4,5; 8

� A mérési eredmények alapján határozd meg a differenciális ellen-állást (Iz = 1,5-4,5mA-es tartományban)

� Ábrázold a mérési eredményeket!

LED jelleggörbéjének meghatározása (mérésutasítás)

� Mérd meg a LED nyitóirányú feszültségét az alábbi nyitóirányúáramok mellett: If [mA] = 0,05; 0,1; 0,15; 0,4; 0,8; 1,5; 3; 4,5; 8

� A mérési eredmények alapján határozd meg a differenciális ellen-állást (If = 0,05-0,15mA-es és az If = 1,5-4,5mA-es tartományban)

� Ábrázold a mérési eredményeket!

� Váradi Antal - Műszerek és mérések (Elektronikus alkatrészek jellemzőinek mérése)

� Kovács Csongor – Elektronikus áramkörök

� Lakatos Imre – Anyag és gyártásismeret

� Klaus Beuth, Olaf Beuth – II. Félvezetők