Çukurova Üniversitesi Biyomedikal Mühendisliği

Çukurova Üniversitesi Biyomedikal Mühendisliği

BMM212 Elektronik-1 Laboratuvarı Deney Föyü

Deney#1

Temel Yarıiletken Diyot Karakteristikleri

Doç. Dr. Mutlu AVCI Ar. Gör. Mustafa İSTANBULLU

ADANA, 2017

DENEY 1

Temel Yarıiletken Diyot Karakteristikleri

A. Amaç

Bu laboratuar çalışmasında yarıiletken diyot elemanı, diyot çeşitleri tanıtılacak ve akım-gerilim karakteristik eğrileri elde edilecektir.

B. Temel Bilgiler

PN Eklemi

Katkılı veya saf bir yarıiletken taban üzerine n-tipi ve/veya p-tipi katkılama ile elde edilen eklem bir pn eklemi olup diyot olarak adlandırılan devre elemanını oluşturur. pn eklemi oluştuğu anda Şekil 1’de görüldüğü gibi difüzyon ile zıt kutuplu yük taşıyıcıları (elektron ve hole) bölgeleri arasında yük geçişi olur. Bu işlem p tipi bölgede elektron, n tipi bölgede hole birikip elektrik alan oluşumu ve bu alanın yeterince büyümesi sonucu difüzyonu durdurmasına kadar devam eder. Yüklerin toplandığı bu bölgeye uzay-yük bölgesi veya taban yarıiletkenin taşıyıcı tipine ters yükler toplanması nedeniyle azınlık (depletion) bölgesi denir. Uzay yük bölgesi harici kısımlarda ideal şartlarda herhangi bir yük bulunmayıp nötr kabul edilirler.

Şekil 1 Difüzyonla yük geçişi geçişi ve uzay yük bölgesinin oluşması

Oluşan bu pn eklemine harici bir uyarım uygulanmadığı takdirde, yük difüzyonundan kaynaklı oluşan elektrik alan bir potansiyel farkı oluşturur. Bu potansiyel farkına inşa potansiyeli (built-in potential/𝑣𝑏𝑖) veya bariyer potansiyeli denir. Difüzyon işlemini durduran mekanizma zıt kutuplu yük taşıyıcılarının oluşturduğu elektrik alan dengesidir. Bariyer potansiyelinin değeri germanyum için 0.3V ve silisyum için ise 0.7V düzeylerindedir (Şekil 1).

Buradaki pn eklemi, akımın dikkate alınacak bir değerde tek yönlü olarak aktığını kabul eden diyot davranışını oluşturur. Diyotta ileri yönlü akımın girdiği p bölgesi anot ve akımın diyottan çıktığı terminal olan n bölgesi ise katot adını alır (Şekil 2).

Şekil 2 Yarıiletken diyot

Diyotun çalışması, kutuplanmasına bağlı olarak uzay yük bölgesinin (SCR) genişleyip daralması prensibi üzeredir. Kaynağın pozitif ucu anoda negatif ucu da katoda bağlanırsa diyot ileri yönlü kutuplanır. Bu durumda uzay yük bölgesi daralmaya başlar ve uygulanan gerilimin genliği belirli bir eşik gerilim değerini aştığı zaman iletim akımı i_D akar (Şekil 3). Bu eşik gerilimi öncesi de akım akışı olmasına rağmen akım değerinin çok küçük olması nedeniyle ihmal edilir. Eşik gerilimini aşan bir uyarım ile diyot akımı üstel bir artış gösterir.

Şekil 3 İleri yönlü kutuplanmış pn eklemi, azatlım bölgesinin daralması ve akımların gösterimi

Diyotun ters kutuplanması halinde uzay yük bölgesi daha büyüyecek, iletim ancak çok küçük değerli (femto amperler mertebesinde) ters yönlü bir sızıntı akımından ibaret olacaktır (Şekil 4). Bu sızıntı akımı ileri yönlü akım iletimi için önemli bir parametre olup ileri yönlü diyot akımı hesabında kendi değeriyle, ters yönlü iletim hesabında ise ihmal edilerek kullanılabilir.

Şekil 4 Ters yönlü kutuplanmış pn eklemi, azatlım bölgesinin genişlemesi ve akımların gösterimi

İleri yönlü hesaplamada ters sızıntı akımı büyük değer alan

e

^vD/nVT terimi ile çarpılmakta, böylece ileri yönlü akımın makul bir değer alması söz konusu olmaktadır. Ters gerilimlemede ise iletim akımı

doğrudan doğruya femto amperler mertebesinde değer alan bu sızıntı akımına eşit olacağından ihmal edilmesi makul olmaktadır. Bu ters yönde iletimin olmadığı kabulünü mümkün kılar.

Diyot elemanına ait devreden bağımsız diyot akım (i_D ) -gerilim (v_D) ilişkisi aşağıdaki ifade ile modellenmektedir. Yarıiletken bir diyot için i_D ve v_Darasındaki bağıntı;

) 1 ( ^/ 

 _s ^{vD nVT}

D I e

i

şeklindedir. Burada; I_s ters yönlü satürasyon akımı ve

V

_T ise termal gerilim olup;

q kT V_T  /



k Boltzmann sabiti = 1.38x10^-23 Joule/Kelvin



T Kelvin birimli sıcaklık

qElektron yükü = 1.602x10^-19 Coulomb



n idealden uzaklaşma faktörü yada emisyon katsayısı ifadesi ile hesaplanır.

Oda sıcaklığında (300^ᵒK) yaklaşık olarak

V

_T= 26mV alınır. Emisyon katsayısı veya idealden uzaklaşma faktörü olarak adlandırılan n, diyotun fabrikasyonuna ve malzeme özelliğine göre genellikle 1 ile 2 arasında bir değer alır. n = 1 kabul edildiğinde diyot denklemi

) 1 ( ^/ 

 _s ^{vD VT}

D I e

i

şekline gelir. Bu katsayı diyota ait üretici katalogunda belirtilir.

s 

I 10pA, T= 300^ᵒK de (

V

_T=26mV ) tipik bir i _D v_Ddiyot akım-gerilim eğrisi Şekil 5’de gösterildiği gibidir.

Şekil 5 Yarıiletken diyotun i-v karakteristiği

) 1 ( ^/ 

 _s ^{vD nVT}

D I e

i

yot denkleminde yer alan

e

^vD/nVT terimindeki _{𝑛 𝑉}^𝑉𝐷

𝑇 üstelinin 3’e eşit veya büyük olması durumunda ifadede yer alan 1 ihmal edilip denklem aşağıdaki şekle gelir.

) ( ^vD/nVT

s

D I e

i 

T = 300^ᵒK de

V

_T = 26mV olduğuna göre n = 1 için 𝑉𝐷 geriliminin 0.078 V olması bu ihmal için yeterli olacaktır. İleri yönde akım iletimi yapan bir Si diyot için 𝑉𝐷 gerilimi yaklaşık 0.7 V mertebelerinde olacağından denklem -1 terimi ihmal edilmiş olarak kullanılabilir.

Şekil 6 İleri yönlü kutuplamalı diyot devresi ve devre denklemi

Yukarıdaki devre denklemi hem 𝑉𝐷 gerilimini hem de

e

^vD/nVT terimi ile bu gerilimin üstelini içerdiği için transandantal denklem olarak adlandırılır ve analitik bir çözüm yolu bulunmamaktadır. Bu nedenle, pn eklem diyot devre elemanı içeren elektronik devrelerin analizi için elle çözümlemelerde model bazlı yaklaşık çözümler, bilgisayar tabanlı çözümlemelerde nümerik analiz yöntemleri uygulanır. El ile çözüm yöntemi ilk olarak ideal diyot modellemesi ile başlar. İdeal olarak kabul edilen diyotta Şekil 7’de görüldüğü gibi v_D= 0 V ve ileri yönlü iletim direnci rf = 0 Ω kabul edilir. Böylece diyot üzerinde herhangi bir gerilim düşümü oluşmaz. İdeal diyot sonraki modeller için tek yönlü iletimi sağlayan bir anahtar işlevli bileşendir. Pratikte böyle bir diyotun bulunmadığı unutulmamalıdır.

Şekil 7 İdeal ve gerçek diyot karakteristiği

Diyot elemanının bir ileri modeli ideal diyot elemanına tıkama yönünde bağlanmış bariyer gerilimi değeri kadar bir gerilim kaynağı içeren Şekil 8'de görülen sabit gerilim düşümü modelidir (constant voltage drop model, CVD). Sabit gerilim düşümü modelinde, ileri yönlü kutuplanmış diyot üzerindeki gerilim, diyot akımından bağımsız olarak v_D= Vγ V olarak kabul edilir. Şekil 8’de görüldüğü üzere pn

0 0













D nV V s s

D D s

V e RI V

V RI V

T D

eklem diyot bir ideal diyot ve buna seri bağlanmış bir gerilim kaynağı ile temsil edilir. İleri yönlü iletim direnci rf = 0 Ω kabul edilmektedir.

Şekil 8 Sabit gerilim düşümü modeli ve CVD ile gerçek diyot modeli karakteristiklerinin karşılaştırılması Diyotlu devrelerin analizinde sabit gerilim düşümü modeli genellikle AC girişli gerilim doğrultma devrelerinde kullanılan bir yaklaşımdır. Ancak diğer diyotlu devreler için bu model de yeterli doğrulukta olmayacağından, diyot üzerindeki gerilimin artan diyot akımıyla artışını yansıtan ilave bir direnç ile modelin daha ilerlemesi sağlanır. Bu modele parçalı lineer model (piece-wise linear model, PWL) denir ve daha yüksek doğruluk gösterir. Şekil 9’da görüldüğü üzere parçalı lineer modelde diyot, bir ideal diyot, seri bağlı bir gerilim kaynağı ve yine seri bağlı bir direnç ile temsil edilir. Böylece hem

vD_{hem de rf} sıfırdan farklı olur. Bu model önceki iki modeli de bünyesinde barındırır.

Şekil 9 Parçalı lineer modeli ve PWL ile gerçek diyot modeli karakteristiklerinin karşılaştırılması Şekil 9’dan PWL diyot model denklemi;

𝑉_𝐷= 𝑉_𝛾+ 𝑟_𝑓𝐼_𝐷

Olarak yazılır. Şekil 6’daki devre denkleminde PWL model denklemi yerine konulursa;

𝑉_𝑠− 𝑅𝐼_𝐷− 𝑉_𝐷= 0 𝑉_𝑠− 𝑅𝐼_𝐷− (𝑉_𝛾+ 𝑟_𝑓𝐼_𝐷) = 0

𝐼_𝐷=𝑉_𝑠− 𝑉_𝛾 𝑅 + 𝑟𝑓

ile ifade edilir. Böylece analitik bir çözüm ifadesine ulaşılmış, diyot belirli bir başarım ile el çözümüne tabi tutulabilmiş olur.

LED (Light Emitting Diode)

LED, Light Emitting Diode kelimelerinin kısaltılmış halidir ve “Işık Yayan Diyot” anlamına gelir. LED’ler foton yayan yarı iletken devre elemanlarıdır. Daha önce de belirtildiği gibi ileri yönlü kutuplanan pn eklemde hole ve elektronlar birleşmektedir (rekombinasyon). Eğer yarıiletken, GaAs gibi doğrudan (direct) geçişli bant aralığına sahipse hole ve elektronlar momentumlarında bir değişiklik olmadan birleşir ve bunun sonucunda bir foton yayarlar. Buna karşılık, yarıiletken malzeme Si gibi dolaylı (indirect) geçişli bant aralığına sahipse hole ve elektron birleşiminde momentum değişimi olur ve foton meydana gelmez. Bu nedenle LED'ler GaAs gibi bileşik yarıiletkenlerden üretilirler. LED için diyot akımı yarıiletkende meydana gelen rekombinasyon oranına bağlıdır. Bununla birlikte LED'den yayılan foton yoğunluğu da diyot akımıyla doğru orantılıdır. Şekil 10 LED’lerdeki foton oluşturma olayını göstermektedir.

Şekil 10 LED’de foton oluşma işlemi ve LED sembolü

LED’lerin ortama yaydığı fotonun frekansı, spektrumun görünür ışık bölgesine denk düşer. Bununla birlikte gözle görülemeyen frekansta foton yayan kızılötesi (infrared, IR) veya morötesi (ultraviole,UV) LED’ler de vardır. LED’lerin yaydığı foton, yarıiletken malzemedeki katkı maddeleri ile ilgilidir. LED’in hangi renkte ışık yayması isteniyorsa galyum, arsenit, alüminyum, fosfat, indiyum, nitrit gibi malzemelerden uygun oranda yarı iletken taban malzemeye katkı yapılır (GaAIAs, GaAs, GaAsP, GaP, InGaAIP, SiC, GaN). Böylece LED'in istenen dalga boyunda ışıma yapması sağlanır. Örneğin kırmızı renk (660nm) için GaAlAs, sarı renk (595nm) için InGaAIP, yeşil renk (565nm) için GaP, mavi renk (430nm) için GaN kullanılır. LED'lerin genel görünüşü aşağıdaki gibidir.

Şekil 11 LED’in şematik görüntüsü ve farklı renklerde LED’ler

Zener Diyot

Daha önceki kısımlarda belirtildiği gibi diyotun ters yönlü kutuplanmasıyla, diyot üzerindeki gerilim belirli bir limitin üzerine çıkamaz. Bununla birlikte bir noktadan itibaren ters yönlü kutuplanan diyotta kırılma (breakdown) meydana gelir ve ters yönde akan diyot akımı hızlıca artmaya başlar. Bu olayın oluştuğu gerilim değerine “kırılma gerilimi” denir. Ters yönde kırılmanın olduğu diyot akım-gerilim grafiği Şekil 12’de gösterilmiştir.

Şekil 12 Kırılma geriliminin gösterildiği zener diyot i-v karakteristiği ve zener diyot sembolü

Zener olarak adlandırılan diyotlar, belirli bir 𝑉𝑧₀kırılma noktası belirlenilerek tasarlanır ve üretilirler.

Şekil 12’de zener bölgesinde görülen 𝑟_𝑧 direnci çok küçük değerlerde olup değeri birkaç ohm ile birkaç 10Ω arasında değişiklik gösterir. Zener diyotlarda 𝑉_𝑧0zener potansiyeli katkılamaya bağlı olarak 1,8V ile 200V arasında değişiklik gösterebilir. Şekil 12’de zener diyot sembolü görülmektedir. Burada 𝑉𝑧

zener kırılma gerilimi ve 𝐼_𝑧 akımı ise zener bölgesinde çalışan diyotun ters kutuplama akımını göstermektedir.

Malzeme Listesi:

 Dirençler : 10Ω, 1kΩ

 Diyot : D1N4001

 LED : MV5353

 Zener Diyot : BZX84C3V3 (3.3V)

 Standart deney teçhizatı

Kaynaklar:

1. Microelectronics Circuit Analysis and Design, Neamen D., 2010 2. Microelectronic Circuit Design, Jeager R., Blalock T., 2011 3. Electronic Devices and Circuit Theory, Boylestad R., Nashelsky L.

Adı, Soyadı:

Öğrenci No:

C. Hazırlık Çalışması

1. Aşağıdaki 𝑉_𝑖𝑛 geriliminin zamana göre değişim grafiği verildiğine göre devrenin çıkış eğrisini çiziniz.

2. Aşağıdaki devre için Vo çıkış gerilimini bulunuz.

T i m e

0 s 2 s 4 s 6 s 8 s 1 0 s

V ( V 1 : + ) 0 V

5 V 1 0 V

Vin

V_z = 3.2V r_z= 0Ω V_γ= 0.6V

r_f= 0Ω

Adı, Soyadı:

Öğrenci No:

D. Deney Çalışması

1. Dijital multimetreyi diyot ölçüm moduna getiriniz. İleri kutuplamada 1N4001 diyotu için açılma gerilimini ölçüp boşluğu doldurunuz.

Şekil 13 Dijital multimetre ile diyot testi

2. Şekil 14’de görülen devreyi 1N4001, LED ve 3.3V zener elemanları için ayrı ayrı kurunuz. Aşağıdaki tabloda verilen farklı kaynak gerilimleri için 𝑉𝐷 ve 𝑉𝑅 gerilimlerini ölçünüz. Ölçtüğünüz değerleri yine tabloda ilgili alanlara yazınız. Tabloya yazılan değerleri kullanarak üç farklı diyot için akım- gerilim (𝐼𝐷− 𝑉_𝐷) grafiklerini çiziniz. (𝐼𝐷= 𝑉_𝑅⁄ ifadesinden hesaplanacaktır.) 𝑅

Şekil 14

𝑣_𝑠 1N4001 𝑣_𝑠 LED 𝑣_𝑠 Zener

𝐼𝐷= 𝑉𝑅⁄𝑅 ^𝑉𝐷 𝐼𝐷= 𝑉𝑅⁄𝑅 ^𝑉𝐷 𝐼𝐷= 𝑉𝑅⁄𝑅 ^𝑉𝐷

0.2V 0.2V -7V

0.4V 0.5V -6V

0.5V 1V -5V

0.6V 1.5V -4V

0.7V 2V -3V

0.8V 2.2V -2V

0.9V 2.4V -1V

1V 2.6V 0.2V

2V 2.8V 0.4V

3V 3V 0.6V

4V 3.5V 0.8V

5V 4V 1V

6V 5V 2V

7V 6V 3V

8V 7V 4V

9V 8V 5V

Adı, Soyadı:

Öğrenci No:

Adı, Soyadı:

Öğrenci No:

3. Şekil 15'teki devre, herhangi bir iki terminalli elemanın ya da devrenin akım-gerilim karakteristiğini osiloskop yardımı ile elde etmekte kullanılabilir. Buradaki 1kΩ'luk direnç diyot üzerinden geçen akımın değerini sınırlamak için kullanılmıştır. Osiloskop ile akım değeri ölçülemediğinden, devreden geçen akım, diyota seri bağlanmış olan küçük değerli bir direnç üzerindeki gerilimin ölçülüp direnç değerine bölünmesiyle bulunur. Buradaki dikkat edilmesi gereken nokta, osiloskobun X girişindeki gerilim değerinin diyot ve 10Ω'luk direnç üzerindeki gerilimler toplamı olduğudur. Fakat buradaki 10Ω'luk direnç üzerindeki gerilimin diyot üzerindeki gerilimle karşılaştırıldığında çok küçük olması X girişindeki gerilimin yaklaşık olarak diyot üzerindeki gerilime eşit olduğu anlamına gelir. Buna göre Şekil 15’te görülen devreyi 1N4001 diyotu ve zener diyot için kurarak osiloskop ekranında X-Y modunda çıkışı gözleyiniz. Gözlediğiniz çıkışları ilgili koordinat düzlemi üzerine çiziniz.

Şekil 15

1k

10 15V

Y X

GND

10V f=100Hz

Adı, Soyadı:

Öğrenci No:

E. Tartışma

1. Teorik ve deneysel sonuçları karşılaştırınız. Sonuçlar arasında farklılıklar var ise sebeplerini yazınız.

2. Üzerindeki çizgisi silinmiş olan bir diyotun anot ve katot ucunu dijital bir multimetre ile nasıl belirlersiniz açıklayınız.

3. Hangi şartlar altında bir eklem diyot açılır açıklayınız.