Střední průmyslová škola chemická v Ostravě

Měření voltampérové charakteristiky polovodičové diody

_{Cíle měření:}

Seznámit se s usměrňovacím účinkem polovodičové diody. Graficky znázornit voltampérovou charakteristiku germaniové diody a naučit se prokládat křivku regresní závislosti jedné veličiny na druhé užitím výpočetní techniky. Vyhodnoťte přesnost měření pomocí nejistot stanovených z tříd přesnosti ampérmetru a voltmetru.

_{Použité zařízení:}

Germaniová dioda, vodiče, zdroj SS napětí (VOLTRAFT TNG 245, 0-40 V, 0-2,5 A), miliampérmetr (magnetoelektrický, pro měření SS proudů, pro měření ve vodorovné poloze, třída přesnosti - 1, zkušební napětí 2 kV), mikroampérmetr (magnetoelektrický, pro měření SS proudů, pro měření ve vodorovné poloze, třída přesnosti - 1, zkušební napětí 2 kV), voltmetr (magnetoelektrický, pro měření SS napětí, pro měření ve vodorovné poloze, třída přesnosti – 0,5 , zkušební napětí 2 kV), rezistory s odpory 100 W a 15 kW, potenciometr.

_{Teoretická část:}

Polovodiče mají s kovovými vodiči společnou elektronovou vodivost. Liší se například obrácenou závislostí odporu na teplotě. S rostoucí teplotou odpor polovodičů klesá. Polovodičové prvky jsou například křemík, germanium, selen. Vlastnosti polovodiče mají též některé iontové krystaly a slitiny. Pokud například čtyřmocné germanium znečistíme pětimocným arsenem, fosforem nebo antimonem, stávají se příměsové atomy donory (dárci) vodivostních elektronů. Čtyři valenční elektrony atomu příměsi se sice účastní kovalentní vazby, zbylý pátý je relativně volný, může se snadno účastnit vedení proudu. Takto vzniká polovodič typu N. Jestliže jsou v krystalu germania přítomny atomy trojmocného prvku (akceptory), např. bóru, hliníku, india, jedná se o polovodič typu P. Příměsovému atomu chybí k obsazení všech čtyř kovalentních vazeb se sousedními atomy germania jeden elektron. Krystalem se toto prázdné místo v jeho struktuře, zvané díra, může přemisťovat. Pro polovodič typu P je tudíž typická tzv. děrová vodivost. V diodě existuje tzv. PN přechod, který má silný usměrňovací účinek. Dioda zapojená v propustném směru má mnohem menší odpor, než dioda zapojená v závěrném směru. V germaniových plošných diodách se přechod PN vytváří difúzí roztaveného india do germaniového krystalu typu N.

Elektrické obvody jsou sestaveny ze součástek, kterým říkáme prvky elektrického obvodu. Prvek se charakterizuje funkční závislostí protékajícího proudu I na napětí U,

která se nazývá voltampérová charakteristika. Prvky dělíme na dvě skupiny – lineární, jimiž jsou rezistory, cívky, kondenzátory, nepřekročí-li hodnoty proudu a napětí, pro které byly konstruovány, neobsahují-li kondenzátory dielektrika s permitivitou závislou na napětí, cívky feromagnetická jádra. Typickým nelineárním prvkem je polovodičová dioda.

_{Postup měření a schéma zapojení:}

1) Byl sestaven obvod v propustném směru (obr. vlevo) s ochranným odporem R_p = 100 W a do obvodu byl zapojen miliampérmetr. Správnost zapojení byla zkontrolována vyučujícím. Ze zdroje bylo odebíráno napětí 6 V. Jezdec potenciometru byl posouván tak, aby bylo možno odečíst deset různých dvojic hodnot napětí a proudů z voltmetru a miliampérmetru. Hodnoty byly průběžně zaznamenávány a byla sestrojena regresní závislost proudu na napětí. Z tříd přesnosti voltmetru a ampérmetru byly vypočteny nejistoty typu B.

2) Byl sestaven obvod v závěrném směru (obr. vpravo) s ochranným odporem R_p = 15 kW do obvodu byl zapojen mikroampérmetr. Správnost zapojení byla zkontrolována vyučujícím. Ze zdroje bylo odebíráno napětí 35 V. Dále bylo postupováno shodně jako při zapojení v propustném směru.

_{Legenda použitých symbolů:}

Zařízení:

R – rezistor, U – zdroj SS napětí, R_p – předřazený odpor, V – voltmetr, A – ampérmetr, D - dioda

Veličiny:

I – elektrický proud [A], U – elektrické napětí [V] , M – měřící rozsah [příslušná jednotka měřené veličiny], p – třída přesnosti [%], u_x – nejistota měření [odpovídající jednotka měřené nebo vypočtené veličiny]

_{Naměřené hodnoty:}

_Výpočty:

Pro všechny použité přístroje byly vypočteny nejistoty měření typu B z hodnot příslušných tříd přesnosti a použitých měřících rozsahů dle obecného vztahu pro výpočet nejistoty typu B analogových měřících přístrojů:

Měření v propustném směru:

Voltmetr:

Miliampérmetr:

Měření v závěrné směru:

Voltmetr:

Mikroampérmetr:

_{Závěrečné pojednání a hodnocení měření:}

Bylo provedeno měření napětí a proudu v obvodu s polovodičovou diodou v propustném a závěrném směru. Z naměřených hodnot byly sestrojeny grafické charakteristiky dané diody v obou směrech, které jsou přiloženy k protokolu. Z charakteristiky diody zapojené v propustném směru je patrné, že velikost proudu v závislosti na vloženém napětí zdroje roste poměrně značně, v řádu tisíckrát větším, než je tomu u téže diody zapojené ve směru závěrném. Nicméně, ze znalosti problematiky polovodičových součástek, byl tento průběh očekáván. Prohlédneme-li si však průběh proudu v závislosti na vloženém napětí zdroje u diody zapojené ve směru závěrném, vidíme, že i zde se s postupně zvětšujícím se napětím zvětšuje i proud tekoucí obvodem. V praxi se však stane, že s při určité hodnotě vloženého napětí na diodu zapojenou v závěrném směru dojde k tzv. průrazu a ke strmému nárůstu velikosti proudu tekoucího obvodem. Dojde ke zničení diody a její usměrňovací funkce je nadále eliminována. Voltampérových charakteristik polovodičových součástek se využívá mimo jiné k zjišťování těchto průrazných napětí, které nás informují o tom, jakou hodnotu napětí bychom při provozování usměrňovacích diod neměli překročit, aby nebyla součástka zničena.

Pro vykreslení voltampérových charakteristik diody jak v propustném tak i závěrném směru byly použity naměřené hodnoty napětí a proudů získané odečítáním na analogových měřících přístrojích. Přesnost měření na analogových přístrojích charakterizuje třída přesnosti, pomocí níž můžeme společně s údajem o použitém rozsahu měření určit nejistoty měření typu B. S ohledem na počet platných cifer, se kterými jsme prováděli samotné měření zaokrouhlíme tyto vypočtené nejistoty na stejný počet platných cifer. Pro námi provedená měření byly vypočteny a zaokrouhleny hodnoty těchto nejistot typu B a tudíž můžeme zapsat obecně hodnotu měřené veličiny s její nejistotou takto:

Měření v propustném směru:

Měření v závěrném směru:

Jak je patrné z grafických průběhů sestrojených voltampérových charakteristik, kdy žádný z vynesených bodů nijak moc nevyčnívá od proložené regresní křivky, můžeme prohlásit, že naše měření bylo přesné.