Effetti della temperatura sul funzionamento di una giunzione PN

1a esperienza
Diodo e Temperatura
ovvero come il funzionamento di un diodo
dipende dalla temperatura
E.Smerieri & L.Faè
Scuola Estiva AIF - PLS
2-6 Settembre 2008 - Genova
Circuito standard per una misura
voltamperometrica
A
E
D
V
A : amperometro
V : voltmetro
E : generatore di tensione continua regolabile da 0V a xxV
D : dispositivo sotto misura
2
Piccolo Glossario
•
•
•
•
•
Semiconduttore
Semiconduttore drogato
Semiconduttore drogato di tipo N
Semiconduttore drogato di tipo P
Giunzione PN o diodo
3
Polarizzazione diretta e inversa di un diodo
La giunzione PN è un dispositivo UNIDIREZIONALE
Polarizzazione Diretta
• può passare corrente
• corrente dell’ordine del mA
Polarizzazione Inversa
• praticamente non passa corrente
• corrente dell’ordine del nA
4
Curva caratteristica del diodo
ID
Asse y
VD
Asse x
I0
5
Equazione del diodo
dove
• VD è la tensione ai capi del diodo
• ID è la corrente nel diodo
• I0, detta corrente inversa di saturazione, dipende dalla
temperatura e vale circa una decina di nA per diodi al Si
alla temperatura ambiente [sarà oggetto di una delle
prossime esperienze]
• η è un numero che vale circa 2 per il Si
• VT [ha le dimensioni di una tensione] dipende dalla
temperatura e vale circa 26 mV a temperatura ambiente
6
nella equazione del diodo …
dove
• K è la costante di Boltzmann
• qe è la carica dell’elettrone
• T è la temperatura assoluta in gradi Kelvin
dove
• m è un numero puro che vale 1.5
• VG0 è tensione corrispondente all’energia del gap
proibito tra la banda di conduzione e quella di valenza e
vale 1.21 V per il Si
7
Misure sul diodo in polarizzazione diretta
ID
A
R
E
Diodo
VD
V
•
Diodo 1N4148
•
R = 2200 Ω
•
La temperatura del diodo deve essere mantenuta costante durante le misure
•
Il generatore a disposizione non fornisce in uscita tensioni inferiori a 1.5 V per cui nel
circuito occorre inserire la resistenza R posta in serie al diodo per limitare la corrente
che circola
•
Si varia o la tensione del generatore o il valore della resistenza R
8
Teoria e Misura
Da un punto di vista matematico …….
ID
A
R
E
VD
Diodo
1
E
⎧
⎪ I D = − VD +
R
R
⎨
⎪⎩ I D = f (VD )
V
• Equazione del circuito
• Equazione del dispositivo
9
8
7
6
Corrente [mA]
E
R5
Punto di lavoro
4
Retta di carico
3
2
1
0
0,000
0,200
0,400
0,600
0,800
1,000
Tensione [V]
1,200
1,400
1,600
E
1,800
2,000
10
8
7
Si cambia il valore di E
6
Corrente [mA]
E
R
5
4
3
2
1
0
0,000
0,200
0,400
0,600
0,800
1,000
1,200
1,400
1,600
1,800
Tensione [V]
E
2,000
11
8
7
6
E
R
Corrente [mA]
5
Si cambia il valore di R
4
3
2
1
0
0,000
0,200
0,400
0,600
0,800
1,000
Tensione [V]
1,200
1,400
1,600
1,800
E
2,000
12
Strumentazione disponibile
Alimentatore
Regolazione
Uscita
Il generatore fornisce tensioni continue variabili
da circa 1.5 V a 30 V e corrente massima 1A
13
Strumentazione disponibile
Multimetro digitale
Funzione
V – mA - Ω
10A
COM
14
Identificazione dei pin del diodo
-
Catodo
+
Anodo
Filo nero
Filo rosso
15
Costruzione 1
1
2
16
Costruzione 2
4
3
17
Dimensioni della sonda
5
18
I grafici
• Le curve sperimentali che seguono sono relative alle misure effettuate
– alla temperatura ambiente di 26 °C
– alla temperatura del ghiaccio fondente di 0 °C
• I grafici sono in scala lineare e in scala logaritmica
• Viene fatto anche il confronto diretto tra le curve caratteristiche relative
alle due temperature
• Le tabelle dei dati sperimentali sono riportate su fogli EXCEL
19
temp amb 26 °C
V(mV)
0
495
537
558
585
612
620
629
636
644
651
659
671
680
691
702
710
I(mA)
0,00
0,15
0,24
0,37
0,65
1,11
1,30
1,55
1,78
2,06
2,36
2,77
3,39
4,00
4,99
6,04
6,99
V(mV) Ln corrente
495
537
558
585
612
620
629
636
644
651
659
671
680
691
702
710
-1,924
-1,435
-0,986
-0,431
0,100
0,259
0,439
0,575
0,723
0,859
1,019
1,221
1,386
1,607
1,798
1,944
20
Diodo 1N4148 - Temp. 26 °C
7
6
Corrente nel diodo [m A]
5
4
3
2
1
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Tensione ai capi del diodo [mV]
21
Diodo 1N4148 - Temp. 26 °C
2,5
2,0
In nero la linea di tendenza
logaritmo naturale della corrente
1,5
1,0
0,5
0,0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
-0,5
-1,0
-1,5
-2,0
-2,5
Tensione sul diodo [mV]
22
a zero gradi
V(mV)
0
540
594
615
635
650
663
675
684
700
711
720
I(mA)
0,000
0,115
0,21
0,37
0,61
0,86
1,22
1,59
2,01
3,02
3,99
4,99
V(mV) Ln corrente
540
594
615
635
650
663
675
684
700
711
720
-2,163
-1,561
-0,994
-0,494
-0,151
0,1989
0,4637
0,6981
1,1053
1,3838
1,6074
23
Diodo 1N4148 - Temp. 0 °C
7
6
Corrente nel diodo [mA]
5
4
3
2
1
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Tensione ai capi del diodo [mV]
24
Diodo 1N4148 - Temp. 0 °C
2,0
1,5
In nero la linea di tendenza
logaritmo naturale della corrente
1,0
0,5
0,0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
-0,5
-1,0
-1,5
-2,0
-2,5
-3,0
Tensione sul diodo [mV]
25
Risultati a confronto
Diodo 1N4148
7
26 °C
6
Corrente nel diodo [mA]
5
0 °C
4
3
2
1
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Tensione ai capi del diodo [mV]
26
Risultati a confronto
Diodo 1N4148
2,5
In nero le linee di tendenza
2,0
26 °C
logaritmo naturale della corrente
1,5
1,0
0 °C
0,5
0,0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
-0,5
-1,0
-1,5
-2,0
-2,5
-3,0
Tensione sul diodo [mV]
27
Osservazioni
• Si vede che al crescere della temperatura
la curva caratteristica si sposta verso
l’asse delle ordinate
• Rimane da studiare come avviene questo
spostamento ……….
Lo vedremo nella seconda esperienza
28