Analisi del comportamento dei diodi

Materie:Tesina
Categoria:Elettronica

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Testo

RELAZIONE DI LABORATORIO DI ELETTRONICA
Esperienza n 1
Alunni: Lanzoni Fabio, Anderlini Matteo
Caratteristica di diodi semiconduttori
Obiettivi: Verifica della tensione di soglia di diodi di diverse caratteristiche, e della legge esponenziale che lega la tensione(V) e la corrente (A).
La giunzione PN
La giunzione pn costituisce la superficie di separazione fra due zone di semiconduttore diversamente drogate, una di tipo p e l’altra di tipo n.
La zona di tipo p, drogata con atomi accettori, è ricca di lacune,che costituiscono i portatori maggioritari, mentre è povera di elettroni che è povera di elettroni che sono pertanto per tanto portatori minoritari. L’opposto si verifica nella zona n, drogata con atomi donatori, dove gli elettroni costituiscono i portatori maggioritari e le lacune minoritari.
Giunzione non polarizzata
In figura è illustrata una giunzione pn con i terminali scollegati da ogni tipo di circuito esterno. Nella zona p sono indicati gli ioni accettori e con il cerchietto bianco le rispettive lacune, nella zona n sono rappresentati gli ioni donatori e con il cerchietto nero gli elettroni donati.
Nella regione a cavallo della giunzione, dove le concentrazioni dei portatori sono molto diverse, si manifesta il fenomeno della diffusione; le lacune, molto numerose nella zona p, tendono a diffondersi nella zona n, dove la loro concentrazione è molto più bassa, mentre gli elettroni al contrario tendono a diffondersi dalla zona n a quella p.
Nel loro spostamento per diffusione lacune ed elettroni tendono a ricombinarsi lasciando ei due lati della giunzione strati di ioni negativi nella zona p e di ioni positivi nella zona n. Viene cosi’ a crearsi una regione priva di portatori mobili, che prende il nome di zona di svuotamento; ai sui capi si stabilisce una barriera potenziale che tende ad opporsi a un ulteriore passaggio dei portatori maggioritari
Polarizzazione diretta
Polarizzando direttamente la giunzione dall’esterno ossia applicando una differenza di potenziale al terminale della zona p (anodo) un potenziale più elevato di quello della zona n (catodo), si provoca un abbassamento della barriera di potenziale con conseguente immediata ripresa della diffusione dei portatori maggioritari. Una corrente di notevole intensità, crescente con la tensione di polarizzazione, viene a fluire fra la zona p e la zona n; in queste condizioni la zona di svuotamento si restringe.
Le lacune immesse nella zona n divengono portatori minoritari e tendono a ricombinarsi con gli elettroni, qui presenti in gran numero. Pertanto la loro concentrazione decrescevano a mano che si penetra nella zona n, allontanandosi dalla giunzione. Un fenomeno analogo si manifesta per gli elettroni, che dalla zona n si diffondono nella zona p.
Polarizzazione inversa

Nel caso della polarizzazione inversa, ossia nel caso in cui l’anodo venga applicato un potenziale più basso di quello del catodo, la differenza di potenziale sulla giunzione si localizza ai capi della zona di svuotamento, rafforzando cosi’ la barriera di potenziale. Viene pertanto favoritoli passaggio dei portatori minoritari, che daranno origine a una debole corrente di deriva praticamente costante, mentre viene bloccato il passaggio della corrente di diffusione.
La polarizzazione inversa provoca inoltre un allargamento della zona di svuotamento, che si estende nelle zone p e n in maniera inversamente proporzionale alla rispettiva concentrazione di impurezze.
La funzionalità del diodo già esaminata qualitativamente considerando la giunzione viene descritta dalla curva caratteristica illustrata in figura. Questa esprime graficamente l’andamento della corrente I al variare della tensione fra anodo e catodo (V) per un generico diodo al silicio.
Per tensioni positive la giunzione è polarizzata direttamente e la corrente diretta fluisce dall’anodo al catodo. Per valori di V compresi fra 0 e Vr tuttavia la corrente assume valori trascurabili; V , che rappresenta la tensione di soglia oltrela quale la corrente assume valori accettabili, vale circa 0.7 Volt per diodi al silicio e circa 0.2 Volt per diodi al germanio. Per valori di V superiori a V , la corrente cresce esponenzialmente assumendo valori anche considerevoli.
Per tensioni V negative la giunzione è polarizzata inversamente: la corrente inversa di saturazione I0 fluisce dal catodo all’anodo e presenta assai valori ridotti. Si noti che per le correnti inverse si è utilizzata una scala espansa (micro A) mentre per le tensioni si è utilizzata una scala compressa per poter rappresentare sul grafico valori elevati della tensione inversa.
Per un dato valore di tensione negativa, di solito piuttosto elevato, si verifica la rottura della giunzione Breakdown: il forte campo elettrico generato dalla differenza di potenziale applicata ai capi del diodo libera molti elettroni dai legami covalenti; gli elettroni, cosi’ accelerati urtano atomi vicini fornendo energia ad altri elettroni, che a loro volta si liberano, causando una reazione a catena di portatori liberi.
La relazione fra la tensione applicata ai capi del diodo e la corrente circolante è espressa dall’equazione:
ID = Iss ( e VD / VT T - 1)
Dove I0 è la corrente inversa di saturazione mentre VT dipende dalla temperatura e vale a temperatura ambiente VT = 26 mV. Il parametro =chiamato coefficiente di idealità per diodi al silicio vale 2 per normali valori di corrente mentre si avvicina a 1 per correnti molto elevate.
In figura è mostrato il grafico caratteristico di diodi al silicio:
Sintesi operativa:
l ’ esperienza si è svolta in tre fasi riguardanti tre diodi diversi due diodi semiconduttori al silicio e un diodo zener.
L’ esperienza consisteva nel inserire un diodo nel circuito elementare formato da una sola resistenza, aumentare gradatamente la tensioni di ingresso Vi e rilevare tensione e corrente su diodo. La tensione sul diodo veniva letta su un multimetro digitale, mentre la corrente uguale sia quella che attraversa la resistenza sia il diodo veniva calcolata analiticamente attraverso la legge di ohm con la caduta di tensione sulla resistenza e stessa. Con questi dati si costruiva il grafico tensione corrente caratteristico di ogni diodo.
Diodo 1N4007
Con questo tipo di diodo è stata inserita in serie una resistenza del valore di 100 ohm con la potenza di 1 Watt. Il diodo può sopportare una corrente massima di 1 A.
Circuito di misura:
Tensione Ving (V)
Tensione resiste (V)
Tensione(V)
Corrente (mA)

0,1

0,06

0,2

0,21

0,3
0,0004
0,32
0,004
0,4
0,003
0,41
0,03
0,5
0,033
0,51
0,33
0,6
0,06
0,54
0,6
0,7
0,119
0,57
1,19
0,8
0,191
0,6
1,9
0,9
0,279
0,62
2,79
1
0,372
0,63
3,72
2
1,32
0,69
13
3
2,34
0,72
23
4
3,35
0,73
33,5
5
4,32
0,74
43,2
6
5,35
0,75
53,5
7
6,35
0,76
63,5
8
7,36
0,77
73,6
9
8,4
0,77
84
10
9,4
0,78
94
11
10,41
0,78
100
12
11,47
0,78
110
13
12,47
0,79
120
14
13,4
0,79
130
15
14,4
0,79
140
16
15,5
0,79
150
17
16,5
0,79
160
18
17,53
0,79
170
19
18,54
0,8
180
20
19,51
0,8
190
Tabella dati rilevati:
Le ultime due colonne riferite alle tabelle sono tensione e corrente sul diodo.
La tensione Ving risulta essere la tensione di ingresso.
La tensione Vresist risulta essere la tensione sulla resistenza.
Grafico:
Diodo 1n4148
Con questo tipo di diodo è stata inserita in serie una resistenza del valore di 1000 ohm con la potenza di 1/4 Watt. Il diodo può sopportare una corrente massima di 200/ A.
Circuito di misura:
Tensione Ving (V)
Tensione resist (V)
Tensione(V)
Corrente (mA)

0,00
0,1

0,11
0,00
0,2

0,21
0,00
0,3

0,3
0,00
0,4

0,4
0,12
0,5
0,12
0,5
0,22
0,6
0,22
0,5
0,24
0,7
0,24
0,5
0,36
0,8
0,36
0,567
0,46
0,9
0,46
0,57
0,54
1
0,54
0,624
1,56
2
1,56
0,64
2,48
3
2,48
0,66
3,43
4
3,43
0,68
4,52
5
4,52
0,7
5,56
6
5,56
0,7
6,55
7
6,55
0,71
7,57
8
7,57
0,72
8,60
9
8,6
0,73
9,63
10
9,63
0,74
10,00
11
10,67
0,75
11,00
12
11,66
0,76
12,00
13
12,69
0,77
13,00
14
13,67
0,77
14,00
15
14,71
0,77
15,00
16
15,72
0,78
16,70
17
16,68
0,78
18,00
18
17,79
0,79
19,00
19
18,78
0,8
20,00
Tabella dati relativi:

Grafico:
Diodo BZX79XX
Con questo tipo di diodo è stata inserita in serie una resistenza del valore di 1000 ohm con la potenza di 1/4 Watt. Il diodo è stato inserito prima in polarizzazione diretta poi inversa secondo l’uso più corretto di questo tipo di diodi che sfruttano la caratteristica tensione di breakdown.
Circuito di misura:
Tensione Ving (V)
Tensione resist (V)
Tensione (V)
Corrente (mA)

0,1

0,11

0,2

0,22

0,3

0,3

0,4

0,4

0,5

0,51

0,6

0,59

0,7
0,12
0,64
0,12
0,8
0,21
0,66
0,21
0,9
0,28
0,67
0,28
1
0,39
0,68
0,39
2
1,27
0,72
1,27
2,1
1,36
0,73
0,36
2,2
1,49
0,73

2,3
1,55
0,73
1,49
2,4
1,74
0,73
1,74
2,5
1,84
0,74
1,84
2,8
2,11
0,74
2,11
3
3,32
0,74
2,32
4
3,38
0,75
3,38
5
4,77
0,76
4,37
6
5,37
0,77
5,37
7
6,41
0,78
6,41
8
7,16
0,78
7,46
9
8,33
0,78
8,33
10
9,36
0,79
9,36
Tabelle dati rilevati:
Grafico:
Conclusioni:
L’esperienza è stata svolta con rapidità. Si sono riscontrati problemi con la strumentazione dovuta ad errori di precisione del multimetro e del display segnalante un volt in più rispetto alla tensione di uscita. In tutti i tre casi i grafici sono risultati buoni caratteristici per ogni diodo.
Per il diodo 1n4007 la tensione di soglia risulta essere 0.60 volt secondo il grafico.
Per il diodo 1n4148 la tensione di soglia risulta essere 0.55 volt secondo il grafico.
Per il diodo zener risulta essere di 0.63 Volt secondo il grafico.

Esempio