Elettronica 1 - Caratterizzazione di un diodo a giunzione pn: Relazione 1

Tracciamento della caratteristica I-V del diodo 1N914 e misurare i valori dei suoi parametri.

Dispositivi-componenti utilizzati

Semiconductor Parameter Analyzer HP4155B:

• Diodo 1N914:

•

Descrizione delle misure

L’esperimento è stato effettuato tramite un laboratorio virtuale, situato al MIT di Boston (MA).

La postazione messa a disposizione offre, attraverso un’interfaccia Java sul web (Fig.2), la possibilità di connettersi ad uno

strumento chiamato Semiconductor Parameter Analyzer HP4155B, per poter fare delle misure di corrente/tensione su alcuni

dispositivi non lineari. Il dispositivo scelto è il diodo 1N914.

Per prima cosa è stata fatta una scansione di tensione in scala lineare da -3V a +0.8V, con steps di 8mV per sfruttare al

meglio il massimo numero di punti possibili (500); sono stati configurati i due Source/Monitor Unit (Fig.1) successivamente

trattati come “SMU”, attribuendo degli alias alla tensione e alla corrente. Rispettivamente sono stati scelti i nomi “Va” per

la tensione applicata e “Ia” la corrente entrante nell’anodo. Dopodichè è stata applicata una scansione di corrente da 10uA a

100mA (corrente massima supportata dal diodo) con steps di 200uA.

Una volta finita la configurazione di entrambi i SMU, si procede inviando la query al server del MIT per effettuare le misure.

Finite le misure, vengono forniti i dati in vari formati elettronici. Personalmente, ho deciso di scaricare i dati in formato

Excel per comodità.

Successivamente, per l’elaborazione dei dati ottenuti e la creazione dei grafici, è stato utilizzato il programma “Matlab”

versione 2011b.

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!

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! Fig.1 Fig.2 1!

! !

! !

Caratterizzazione di un diodo a giunzione pn

!

Dati ottenuti ed elaborazione ! ∆ = da stimare

Ia : corrente entrante nell’anodo. Vt : thermal voltage = 25mV.

Va : tensione applicata tra anodo e catodo. Is ∆: corrente di saturazione.

n ∆: parametro dipendente dalla tecnologia. Rs ∆: resistenza serie.

*La temperatura del laboratorio è prossima ai 300K, di conseguenza, si può utilizzare come equivalente in tensione della

temperatura, 25mV.

Dati ottenuti dalla scansione di tensione:

Fig.3 Fig.4

In figura 3 è riportata la scansione di tensione: “Ia” in funzione della tensione “Va”, che varia da -3V a +0.8V. Si può notare a

colpo d’occhio che inizia a condurre dopo aver passato la soglia di circa +0.5V e per di più, non essendo il caso ideale,

assume un andamento esponenziale, per valori di tensione maggiori di +0.5V.

In figura 4, è sempre riportata la corrente in funzione della tensione; a differenza che l’asse delle ordinate è in scala

logaritmica, ovvero è il logaritmo in base 10 del modulo della corrente, misurata in Ampere.

!

Si nota bene il tratto quasi rettilineo con pendenza tra circa +0.1V e 0.6V.

!!!"

Dati ottenuti dalla scansione di corrente: Fig.6

Fig.5

In figura 6 è evidenziato il comportamento della tensione “Va” in funzione del logaritmo in base 10 del modulo della

corrente “Ia”. A questo punto si può notare meglio l’entrata in gioco della resistenza Rs, per valori di tensione prossimi a

+0.8V. La figura 5 mostra il comportamento in scala lineare della tensione. In vicinanza del valore +1V si denota un

comportamento strano, ma questo è dovuto al fatto che ci stiamo avvicinando verso il limite di corrente (100mA) erogabile

dallo strumento, che per motivi di sicurezza è già stato prefissato. 2!

! !

! !

Caratterizzazione di un diodo a giunzione pn

!

Dal grafico di figura 7, possiamo prolungare con una linea

l’andamento rettilineo ottenuto in figura 4. Il valore di Is è

determinato dalla coordinata y del punto trovato per Va=0V.

Il punto misurato ha rispettivamente le coordinate (0V ; -20A).

Di conseguenza la corrente di saturazione Is è definita come:

!!"

!" ≅ ! !! = 2.06!!"

Per proseguire a calcolare il parametro “n”, bisogna ragionare

sulla pendenza di tale retta. Fig.7 !"

!" ≅ !"!! (i)

L’espressione della corrente nel diodo, può essere approssimata come: !!!" !"

ln !" = ln !" + (ii)

Quindi dall’equazione (i) possiamo ottenere: !!!"

Derivando la (ii) rispetto “Va” otteniamo la pendenza del tratto quasi rettilineo tra +0.1V e +0.6V di figura 4:

!

! !"(!") = !!!"

!!!" Fig.9

Fig.8 !

In figura 8 è riportato il grafico della derivata del logaritmo naturale del modulo della corrente, rispetto alla tensione

applicata. Si può notare, tramite un opportuno ingrandimento (Fig.9), che la derivata cambia leggermente nell’intervallo

definito precedentemente, ma comunque, tra +0.1V e +0.6V possiamo considerarla costante circa a 20. Di conseguenza si

deducono i valori della corrente di saturazione ed n:

! ! !

≅ 20! !! ≅ = 2 ,dove è la pendenza della retta.

!!!" !"!!" !!!"

Facendo l’inverso della derivata della corrente, rispetto alla tensione, troviamo la somma della resistenza rd (la resistenza di

!!

!!!"

!" + !" =

piccolo segnale) e la resistenza Rs: . Sul grafico di figura 10 sono riportati i valori della resistenza rd al

!!!"

variare della tensione “Va” applicata. Ingrandendo anche in questo caso il grafico (figura 11) si riesce a vedere il valore della

resistenza Rs, attorno all’intervallo di tensione tra +0.77V e +0.8V, che risulta essere di circa 5Ω. 3!

! !

! !