CARATTERIZZAZIONE ELETTRONICA DI DIODI A GIUNZIONE

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1 CARATTERIZZAZIONE ELETTRONICA DI DIODI A GIUNZIONE Materiali per l elettronica con Laboratorio, AA Ettore Vittone Strumentazione: 1. voltmetro; 2. generatore di tensione 3. amperometro; 4. universal Breadbox; 5. cablaggio; 6. diodo SiC montato in scatola di alluminio; 7. diodo 1N751A; 8. fotodiodo Hamamatsu; 9. supporto Ocean Optics per misure in riflessione 1. lampada Ocean Optics LS-1; 11. fibra ottica corrazzata FC-IR2 12. Resistenza 13. Capacimetro Boonton Model 72BD 1

2 Caratterizzazione elettrica di resistenze lineari: La misurazione ha come scopo finale l acquisizione di dimestichezza nell utilizzo della strumentazione necessaria allo svolgimento della caratterizzazione del diodo. Si realizzi il circuito illustrato in figura 1, utilizzando la resistenza in dotazione. Si determini la corrente in funzione della tensione applicata e si riporti il risultato su un grafico come illustrato in figura 2. Si effettui un fit lineare. Attraverso la legge di ohm: V=RI I=V/R, si evince che la pendenza della curva (il fattore B nella figura) è pari alla conduttanza, i.e. l inverso della resistenza. Quindi risulta che 1 R 18 3 B,6 R A V corrente (I),4,2, -,2 Equation y = a + b*x,99962 Adj. R-Square Value Standard Error B Intercept -- B Slope 9,92414E-4 2,7896E-6 -,4 Fig. 1: schema del circuito per la caratterizzazione elettrica di una resistenza. -, Tensione Fig. 2: caratteristica tensione corrente di una resistenza Caratterizzazione in corrente elettrica di un diodo di silicio: Polarizzazione diretta: Lo scopo dell esperienza è quello di misurare i parametri che caratterizzano un diodo, i.e. il fattore di idealità, la corrente di saturazione inversa e la resistenza di shunt. Si realizzi il circuito illustrato in figura 3. Individuare la configurazione dell alimentatore per effettuare misure in polarità diretta. Applicare una tensione variabile e misurare la corrispondente corrente; si noti che il massimo di corrente misurabile è di 3 ma. Riportare in un grafico la tensione (sulle ascisse) e la corrente (sulle ordinate) in scala lineare (Fig. 4a), quindi riportare in scala lineare il ln(corrente) in funzione della tensione (Fig 4b). Effettuare un fit lineare di quest ultimo grafico. Fig. 3: schema del circuito per la caratterizzazione elettrica di un diodo. A V Data l espressione: 2

3 qv I I exp 1, nel caso di polarizzazione diretta (V>ηkT/q) kt qv qv I I exp lni lni () kt kt Da cui segue, che dalla pendenza (B) del fit lineare (nell esempio (26.6±.4) ), assumendo Diodo XXX caratteristica in polarizzazione diretta -6 Diodo XXX caratteristica in polarizzazione diretta 2,x Corrente (A) 1,5x1-3 1,x1-3 5,x1-4, a) b) Fig. 4 a): caratteristica tensione-corrente in scala lin-lin; b)caratteristica tensione-ln(corrente) in scala lin-lin. kt/q=.26 V, si può ricavare il fattore di idealità η: q 1 B 1.45;.2 BkT B Dall intercetta (A) è possibile valutare la corrente di saturazione inversa: A ln I () ; I () expa Nell esempio risulta quindi: I ( ) pa Caratterizzazione in polarizzazione inversa: Individuare la configurazione dell alimentatore per effettuare misure in polarità inversa. Applicare una tensione variabile e misurare la corrispondente corrente; si noti che il massimo di corrente misurabile è di 3 ma. Riportare in un grafico la tensione (sulle ascisse) e la corrente (sulle ordinate) in scala lineare (Fig. 5). Si confronti il risultato ottenuto con quello atteso dalla analisi della caratteristica IV in polarizzazione diretta. La corrente è estremamente piccola, ma non è costante al variare della tensione. Questo può essere attribuito ad una resistenza in parallelo parassita. Tenendo conto di tale contributo, possiamo scrivere che la caratteristica corrente/tensione per V tensioni in polarizzazione inversa sufficientemente elevate assume l espressione: I I dove R Sh rappresenta il valore della resistenza in parallelo (Shunt resistance). Ne segue quindi che la pendenza (B) del fit lineare (per valori di tensione sufficientemente elevati) della fig. 5 è uguale a 1/ R Sh. Dall esempio qui riportato: R Sh = (27.±.4) MΩ,1,2,3,4,5,6,7 Tensione ln(corrente) Y = A + B * X Parameter Value Error A B Tensione R Sh 3

4 16 Diodo XXX caratteristica in polarizzazione inversa Corrente (na) Y = A + B * X Parameter Value Error A E E-12 B E E Tensione Fig. 5: caratteristica inversa del diodo. 4

5 Caratterizzazione capacità-tensione di un diodo di silicio: Dal montaggio del diodo utilizzato per la caratteristica corrente tensione, si realizzi il circuito come indicato in figura 6 utilizzando il capacimetro in dotazione. Acquisire una caratteristica capacitàtensione tensione in polarizzazione inversa, quindi, all aumentare della tensione, la capacita dovrebbe diminuire. E importante, prima di effettuare le misure, utilizzare un unica scala di capacita ed azzerare la capacita a carico nullo (i.e.senza campione collegato). Tale valore deve essere portato a zero attraverso la manopola di zero; se non si riesce, occorre annotarsi tale valore di capacita e occorrera sottrarlo a tutte le successive misure. Riportare in un grafico la capacità in funzione della tensione. Si misuri (o si stimi) l area degli elettrodi del diodo. Assumendo che la geometria sia assimilabile a quella di un condensatore ad armature piane parallele, la capacità è funzione della tensione applicata secondo la seguente espressione: C V Fig. 6: schema del circuito per la caratteristica CV di un diodo. (7) dove è la costante dielettrica del materiale (8) è l estensione della regione di svuotamento, Vbi è il potenziale di contatto, q è la carica elementare e N è la concentrazione di droganti (avendo supposto il diodo unipolare). Ad esempio: Figura 7: Caratteristica C-V di un diodo di silicio 5

6 Si riporti quindi in un grafico precedenti, in funzione della tensione applicata. Se valgono le ipotesi risulta: (9) Figura 7: Caratteristica 1/C^2-V di un diodo di silicio dal fit lineare di 1/C 2 vs. V: (1) è possibile quindi estrarre una misura del drogaggio: (11) e del potenziale di contatto: (12) Per il calcolo del diametro del diodo è stato usato un calibro ventesimale; ovviamente, misurando anche l involucro esterno, il dato risultante è solo una stima del drogagio. Dal fit lineare risulta una tensione di built in Vbi = (.95 ±.25) V e un drogaggio N = (2.6 ±.24) 1 12 atomi/cm 3. 6

7 PROTOCOLLO DI MISURA PER LA CARATTERIZZAZIONE DI DIODI EMETTITORI DI LUCE (LED) Dotazione: Alimentatore Thandar TS1541S Multimetro da banco: Fluke 85A LED: vedi specifiche tecniche Scatola porta-led con resistenza da (1.1±.1) kω Sfera integratrice Ocean Optics Fibra ottica Ocean Optics FCIR5 Spettrometro Ocean Optics USB2, range spettrale 3-9 nm PC con software OOIBASE32, ORIGIN 6., MICROSOFT WORD Procedura: 1) Montare un led nell apposito porta-led ed VR inserirlo nella sfera integratrice (vedi schema in Fig. 8). 2) Collegare il generatore di tensione all ingresso V in R=1 k della scatola porta-led. Vin 3) Collegare il voltmetro con il connettore V R della scatola porta-led 4) Acquisire lo spettro di emissione del LED (dopo aver sottratto lo spettro di LED Spectrometer rumore) impostando una tensione Vin tale che Fig. 8: schema dell apparato sperimentale l intensità dello spettro sia massima (senza entrare in saturazione) (Fig. 9). Valutare il valore della lunghezza d onda di picco (λ P ) e la larghezza a mezza altezza del picco (FWHM). Determinare l energia corrispondente del picco di emissione (e.g hν=3.17 ev). 7

8 3 Intensity (a.u.) p =391.5 nm FWHM=1 nm UV-LED Emission spectrum Bias= 3 V; Current =,2 ma Wavelength (nm) Fig. 9: Spettro di emissione 5) Una volta definito il set-up sperimentale e la tensione massima, registrare in funzione della tensione di ingresso V in la caduta di tensione ai capi della resistenza V R ; dal software SPECTRASUITE registrare l intensità della luce emessa dal LED. L acquisizione dovrà riguardare almeno una ventina di tensioni di polarizzazione. Si produca quindi la seguente tabella: (I L =Intensità luminosa): V in 4 1, ,88, ,78, V R I L (a.u.) 6) Sapendo che la resistenza è di 1 k è possibile valutare la corrente che circola nel LED: VR I, generare una quarta colonna contenente i dati di corrente in corrispondenza della R tensione applicata. V in V R I L (a.u.) I (A) Ln(I) 4 1, ,16-6,849 3,88, ,46e-4-6,963 3,78, ,55e-4-7,

9 1,2x1-3 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8 2,9 3, 1,x1-3 8,x1-4 I (A) 6,x1-4 4,x1-4 2,x1-4 I (A), ln(i)=(-59.7±.8)+(18.±.3)*v D 2,2 2,4 2,6 2,8 3, V D Fig. 1: caratteristica I-V del LED 7) Essendo la caduta di tensione del diodo (V D ) uguale alla tensione del generatore meno la caduta di tensione sulla resistenza (V D = V in - V R ), si generi una quinta colonna contenente i dati di caduta di tensione sul LED in corrispondenza della tensione applicata. V in V R I L (a.u.) I (A) Ln(I) 4 1, ,16-6,849 2,936 3,88, ,46e-4-6,963 2,934 3,78, ,55e-4-7,64 2, ) Riportare in un grafico l andamento della corrente (I) e del logaritmo naturale della corrente in funzione della caduta di tensione sul diodo (V D ) (Fig. 1). 9) Effettuare un fit lineare nel tratto rettilineo di ln(i) vs. V D. L intercetta è uguale a ln(i ) dove q I è la corrente di saturazione inversa. Il coefficiente angolare è uguale a dover q è la k T carica elementare, k è la costante di Boltzmann, T è la temperatura (in K) ed è il fattore di idealità del diodo. 1) Valutare il fattore di idealità del diodo (e.g. assumendo T=3 K, n= 2.14±.3) 11) Riportare in un grafico cartesiano la corrente in funzione della tensione di ingresso (V in ) (Fig.11). V D 9

10 1,2x1-3 1,x1-3 8,x1-4 I=(-2.67±.15)*1-3 +(.932±.4)*1-3 *V in Current (A) 6,x1-4 4,x1-4 2,x1-4, 2, 2,2 2,4 2,6 2,8 3, 3,2 3,4 3,6 3,8 4, 4,2 Bias voltage Fig. 11: corrente vs. tensione applicata. 12) Effettuare un fit lineare nella regione lineare e valutare la tensione di accensione (V TO ) che corrisponde al valore di tensione dato dall estrapolazione della retta di fit con l asse delle ascisse (e.g. V TO = 2.86±.2 V). 13) Riportare in un grafico cartesiano l andamento dell intensità luminosa in funzione della caduta di tensione del diodo (V D ) e della corrente (I) (Fig. 12). 14) Effettuare un fit lineare nel tratto rettilineo della curva I L vs. I; valutare il valore della corrente di accensione I TO, ovvero del punto di intersezione del fit lineare con l asse delle ascisse (e.g. I TO = (.273±.12) ma). Valutare la tensione sul diodo (V D ) in corrispondenza della quale la corrente è pari alla corrente di accensione (I TO ) e confrontare questo valore con la tensione di accensione (V TO ) precedentemente misurata. 1

11 Luminous intensity (a.u.) I L =(-.611±.3)*1 4 +(224±3)*1 4 *I ,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8 2,9 V D,,2,4,6,8 1, 1,2 I (ma) Fig. 12: intensità luminosa in funzione della caduta di tensione sul diodo (sx) e della corrente (dx) NOTE: Ogni grafico deve riportare la data di creazione, il gruppo e il nome del file. Tutte le valutazioni quantitative devono essere considerate misure e quindi occorre sempre riportare il valore significativo (media) e l incertezza, nella forma: (x±δx). L incertezza deve essere riportata con una sola cifra significativa oppure due nel solo caso in cui la prima cifra significativa sia 1. Il valor medio deve avere un numero di cifre pari a quello dell incertezza. 11