FFY616. Halvledarteknik. Laboration 4 DIODER

Transkript

1 Halvledarteknik Laboration 4 DIODER Målet med denna laboration är att du skall lära dig hur olika typer av dioder fungerar och hur man kan använda dem Laborant: Godkänt den.. av. M. K. Friesel, I. Albinsson 1(11)

2 Laboration 4 dess karakteristik, funktion och användning Innehåll Uppgift 1: Uppgift 2: Uppgift 3: Uppgift 4: Uppgift 5: Germanium diod Zenerdiod Likriktardiod Lysdiod LED Fotodiod Uppgift 1: Germaniumdiod Ström spänning karakteristiken (I U) för germaniumdiod diod AA119 Diod En diod är en halvledarkomponent som består av en pnövergång. En pn-övergång, vars modell visas i figuren bredvid, skapas genom att dopa två område i en kristall av en halvledare, t.ex. Si, som är den vanligaste halvledare, med trevalenta (t.ex. bor) respektive femvalenta (t.ex. fosfor) grundämne. Därmed skapas ett område med ett överskott av positivt laddade hål, s.k. P-halvledare, respektive ett angränsande område med ett överskott av negativt laddade elektroner, s.k. N-halvledare. I gränsskiktet mellan dessa två områden har bildats ett s.k. utarmningsområde (det område i figuren där det finns bara joniserade donatorer, ringar med +tecken respektive joniserade acceptorer, ringar med tecken). Utarmningsområdets geometriska bredd kan styras med spänning genom att koppla en likspänningskälla över pn-övergången. Som du ser i figuren, en spänningskälla kan kopplas på två sätt över dioden, antingen med spänningskällans +pol kopplad till P-området och pol kopplad till N-området, eller tvärtom. I det första fallet, som visas i figuren, är dioden framspänd och ström flyter genom dioden, i det senare fallet är dioden backspänd och ingen ström (nästan ingen) flyter genom dioden. I denna första uppgift ska du studera en diod tillverkad från halvledare germanium och rita samband mellan spänning och ström (dvs. dioden U-I diagram som visas bredvid). 1. Mät först med en ohmmeter diodens resistans: i framriktningen: R =... i bakriktningen: R = Koppla upp kretsar enligt nedanstående figurer: Observera att en diod har polaritet, så anslut dioden med rätt polaritet. Karakteristiken för en diod består av två delar, karakteristiken för framriktningen uppmäts mha kretsen i Fig.1a, medan karakteristiken för backriktningen mha kretsen i Fig.1b. M. K. Friesel, I. Albinsson 2(11)

3 För in mätdata i Tabell 1 och rita ett diagram I = f(u), dvs. ström genom dioden I som funktion av spänningen över dioden U, dvs. I-U karakteristiken (mm-papper) Fig.1a: Koppling för diodkarakteristik i framriktningen Germanium AA119 Backriktning Framriktning U(V) I(μA) U(V) I(mA) Fig.1b: Koppling för diodkarakteristik i backriktningen 3. Bestäm den dynamiska resistansen r U ur den erhållna karakteristiken I = f(u) för: I U = V: r =.../...=... U = V: r =.../...=... Hur stämmer dessa r-värden med de uppmätta värden med en ohmmeter? Kommentera dina resultat: Varför inkopplas amperemätare på olika sätt i figure 1a respektive figure 1b? Svar: M. K. Friesel, I. Albinsson 3(11)

4 Uppgift 2: Zenerdiod Presentation av I U karakteristiken för en Zenerdiod på oscilloskopskärmen En Zenerdiod är konstruerad med syftet att utnyttja s.k. Zenereffekt. I Zenerdioden används pn-övergången i backspännt läge för att utnyttja Zenereffekt som är ett s.k. genombrottsfenomen som uppstår i en backspänd pn-övergång när den pålagda spänningen i backriktningen överskrider ett kritiskt värde. Vid genombrottet i backriktningen får dioden en låg resistans och därmed börjar en stor ström flyta genom dioden, och därmed hålls diodens genombrottsspänning i backriktningen hålls nästan konstant. Denna effekt utnyttjas som spänningsregulatorn t.ex. i likriktarkretsar. I denna uppgift studeras en zenerdiods I U karakteristika, medan i uppgift 3 studeras zenerdiodens funktion som spänningsregular i en likriktarkrets. 1. Koppla upp kretsen i Fig.2. Använd en sinusspänning och ställ oscilloskopet i XY-mode och i DC-ingång (DC coupling). Öka successivt amplituden och offset tills hela diodkurvan framträder på skärmen. Fig.2: Koppling för bestämning av en Zenerdiods I-U karakteristik 2. Bestäm mha diagrammet Zenerspänning då I = 5 ma. Resultat:... Stämmer Zenerspänningen med det angivna värdet på dioden? Svar: Vilken halvledare är Zenerdioden tillverkad av? Svar:... Hur bestämde du det? Svar:... Uppgift 3: Likriktardiod Användning av kiseldiod för likriktning av växespänning I denna uppgift används transformator med primärspänning 230 V (nätspänning) och sekundärspänning 2x10 V. Transformatorn är försedd med en säkring på 1 A. (Obs!!! Primärspänningen är 230 V). 1. Uppkoppling. Kontrollera att transformatorns säkringar är hela. Fig.3 nedan visar en likriktarkrets med en transformator, två likriktardioder, en kondensator och en belastning (variabel resistans). Med denna uppkoppling kan halv- och helvågslikriktning studeras. M. K. Friesel, I. Albinsson 4(11)

5 Koppla upp krets i Fig.3. Likriktarkretsen består av en transformatorn som kopplas ihop med en kopplingsplatta som är avsedd för att koppla in två dioder och kondensatorn. Koppla så länge ingen last R till likriktarkretsen. Mät upp med en voltmäter transformatorns sekundärspänningar markerade på kopplingsplattan. Resultat:... T transformator med laminerad kärna D kiseldioder C kondensator A amperemätare R variabelt effektmotstånd Fig.3: Koppling för hel- och halvvågslikriktning 2. Undersökning av utspänningen U UT (öppen, obelastad utgång). Koppla in oscilloskopet (coupling DC): mät med kanal 1 transformerad spänning i punkt A (i figuren ovan) och med kanal 2 den likriktade spänning U UT i punkt B. Studera kurvformen hos utspänningen U UT för följande fyra fall, både för halv- och helvågslikriktning: a) utan kondensator C b) med C1 = 0.1 μf c) med C2 = 1000 μf (Obs!!!!!! Polaritet hos kondensatorn!!!) d) med C2 = 1000 μf och oscilloskopets kanal2 i läge AC (coupling AC) Rita skalenliga figurer över utspänningens kurvform i a)-d) för både halv- och helvågslikriktning. Alla tidsaxlar skall ha samma gradering så att sammanhörande tider står rakt under varandra. M. K. Friesel, I. Albinsson 5(11)

6 Fig.4: Halv- resp. helvågslikriktning M. K. Friesel, I. Albinsson 6(11)

7 Vad beror skillnaden mellan fall b och c på? Förklara: Stabilitet hos utspänningen. Undersök utspänningens variation pga belastningen. Använd uppkoppling i Fig.3. Koppla in kondensator C = 1000 μf och koppla till kretsen ett effektmotstånd (inte resistansbox på din labplats!!!!) i serie med en amperemätare, Fig.3. Mät utspänningen U ut över belastningen R som funktion av belastningsströmmen I R. Mät U ut och I R för tre strömstyrkor I R bara: vid 0 A, vid ungefär 300 ma resp. 600 ma. För in dina mätvärde i diagram i Fig.5 och dra en rät linje genom punkterna. Fig.5: Diagram över utspänningen Uut som funktion av belastningsströmmen IR för icke stabiliserad respektive stabiliserad likriktare 3. Ett likriktarkrets stabiliserad med en zenerdiod Ett grundläggande krav på ett likspänningsaggregat är att aggregatet håller konstant utspänning oberoende av den strömstyrka som belastningen drar ur aggregatet. I Fig.6 visas en likspänningsaggregat med utspänningen stabiliserad med en zenerdiod som arbetar backsänd. Denna typ av spänningsstabilisering är den enklaste och billigaste. Det krävs en zenerdiod med zenerspänning som är lika med den önskade utspänning U ut över belastningen R. T transformator D kiseldioder C kondensator 1000μF R1 motstånd 4.7 ohm Z zenerdiod 10Z8.2 med kylplåt på platta R variabelt effektmotstånd 120 ohm Fig.6: Likspänningsaggregat stabiliserat med en zenerdiod M. K. Friesel, I. Albinsson 7(11)

8 Mät U ut för belastningsströmmar I R på samma sätt som i 3. ovan och för in dina mätvärde i diagram i Fig.5. Tabell 2: Utspänning U ut samt rippespänning för stabiliserat respektive icke stabiliserat aggregat I R = 0 ma I R = 300 ma Stabiliserat aggregat Icke stabiliserat aggregat (punkt 3 ovan) Uut (V) Rippel (mv) Uut (V) Rippel (mv) Ändring, % U ( 0 U % % 300 ma ) U 0 Är du nöjd med det stabiliserade likspänningsaggregatet? Kommentar och bedömning: Uppgift 4: Lysdiod, LED I U karakteristik och användning av LED Lysdioder (Light Emitting Diod) används alltmer i olika belysning. En fördel av LED i jämförelse med en glödlampa är att en mycket större del av den tillförda energin omvandlas till ljusenergi. LED har verkningsgrad ungefär 50% medan glödlampan ungefär 5%. I jämförelse med lågenergilampor LED, lågenergilampor innehåller kvicksilver, vilket är hälsofarligt och miljömässigt inte bra, och LED har en högre verkningsgrad här också. LED är framtidens belysning. En ytteligare fördel är att LED har en lång livslängd, nackdelen är kostnad, LEDlampor är forfarande relativt dyra. Idag finns LED som emitterar olika färger. Färgen bestäms av halvledare som har använts för tillverkning av dioden. Det är strömmen genom lysdioden som bestämmer dess ljusstyrka, inte spänningen. Framspänningen U f över en lysdiod varierar mellan ca 1,9 V (röd) till ca 3,6 V (blå), och brukar vanligen definieras vid framriktningsströmmen I f = 20 ma. Om den maximala strömmen i framriktningen I fmax överskrids förstörs dioden. Anta att du vill använda en LED som emitterar röd färg. Kretsen skall kopplas till ett 4.5-volts plattbatteri. Konstruera kretsen. Datablad för lysdioden finns i datorn på din labbplats. Obs!!!!!!!!! Diod har polaritet!!!!!!. Rita kretsen och beräkna komponentvärden och testa kretsen: M. K. Friesel, I. Albinsson 8(11)

9 Fungerar din krets så som du har tänkt dig?... Ta upp diodens I U karakteristik i framriktningen. Mät upp ström och spänning i några punkter och rita ett diagram (på ett mm-papper) Uppgift 5: Fotodiod Undersökning hur en fotodiod fungerar En fotodiod är en diod i raden av dioder där man utnyttjar pn-övergångens fysikaliska egenskaper för olika ändamål. En fotodiod är en kiseldiod. Vid konstruktionen av fotodioden utnyttjas pn-övergångens känslighet för ljus (elektromagnetisk strålning) med viss våglängd. Dioden används i backriktningen. När en diod är backspänd flyter en liten ström genom dioden. Det är de termiskt skapade elektron hål par som ger upphov till denna ström. Ett elektron hål par kan skapas också med en foton som har rätt energi, dvs. som har rätt våglängd. Det är detta som utnyttjas i en fotodiod. Elektroner skapade genom absorption av fotoner bidrar till backströmmen som därmed ökar, se figur nedan som visar dioddens karakteristika i backriktningen (revers current in microamps). Undersök fotodioden: I figuren nedan visas typisk uppkoppling av en fotodiod samt en fotodiods karakteristik för olika ljusintensiteter och bakspänningar V R. Koppla upp fotodioden som i figuren. Ställ in spänningskälla VR på några volt. Mät backströmmen I (revers current) i kretsen för olika ljusintensiteter genom att ändra avståndet mellan lampan och fotodioden. Studera spänningen över fotodioden med oscilloskopet. Observera!!! För att kunna mäta och jämföra effekten av olika lampor måste avståndet mellan fotodioden och lampor hållas ungefär konstant. Varför?... Belys dioden med a) Vanlig glödlampa b) Lågeenergilampa c) LED lampa Resultat av mätningar: M. K. Friesel, I. Albinsson 9(11)

10 Glödlampa: I =. Lågenergilampa: I =. LED lampa, resultat: I =.. Vilken frekvens har spänningen över fotodioden när fotodioden belyses med en glödlampa? f =. Varför har spänningen denna frekvens?... Vilken skillnad finns mellan glödlampan, lågenergilampan och LEDlampan fysikaliskt? Skulle du kunna dra ur dina undersökningar någon slutsats om våglängden av ljuset som ger upphov till en maxströmm i fotodioden? Uppgift 6: Transistor Undersökning hur en transistor fungerar En liten konstruktionsuppgift Denna uppgift har till syfte att ge dig kännedom om hur transistors fungerar principiellt. Uppgiften är att bygga en krets som kan reglera en ficklampas ljusintensitet från svag till maximum. För att underlätta ditt mödosamma arbete, ett förslag till en krets visas i Fig.7. Din uppgift är nu att ta reda på alla fakta som behövs för konstruktionen av kretsen, sedan bygga upp kretsen på kopplingsbordet och testa den så du ser att den fungerar som det krävs. Fig.7: En krets för reglering av ficklampas ljusintensitet M. K. Friesel, I. Albinsson 10(11)

11 Vad måste du ta reda på först vad transistorn beträffar? Fungerar kretsen som det önskas?... Mät upp basström IB och kollektorström IC och beräkna transistorns förstärkningsfaktorn. IC/IB = Uppgift 7: Transistor Transistorns funktion Denna uppgifts syfte är att ge dig kännedom om hur transistorn fungerar principiellt. Koppla upp en transistor, två fotodioder (samma typ som användes i uppg.5) och en glödlampa på 6V i en krets som visas i figur Fig.8. Lys med en glödlampa på fotodioder och betrakta 6V-lampan. Ändra avståndet mellan fotodioderna och glödlampan. Vad händer? Vilken funktion har transistor?... Fig.8: En krets med fotodioder och transistor slut M. K. Friesel, I. Albinsson 11(11)