Çukurova Üniveritei Biyomedikal Mühendiliği BMM212 Elektronik-1 Laboratuvarı eney Föyü eney#1 Temel Yarıiletken iyot Karakteritikleri oç. r. Mutlu AVCI Ar. Gör. Mutafa İSTANBULLU AANA, 2015
ENEY 1 Temel Yarıiletken iyot Karakteritikleri A. Amaç Bu laboratuar çalışmaında yarıiletken diyot elemanı, diyot çeşitleri tanıtılacak ve akım-gerilim karakteritik eğrileri elde edilecektir. B. Temel Bilgiler PN Eklemi Katkılı veya af 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 araında yük geçişi olur. Bu işlem p tipi bölgede elektron, n tipi bölgede hole birikip elektrik alan oluşumu ve bu alanın yeterince büyümei onucu difüzyonu durdurmaına kadar devam eder. Yüklerin toplandığı bu bölgeye uzay-yük bölgei veya taban yarıiletkenin taşıyıcı tipine ter yükler toplanmaı nedeniyle azınlık (depletion) bölgei denir. Uzay yük bölgei harici kıımlarda ideal şartlarda herhangi bir yük bulunmayıp nötr kabul edilirler. Şekil 1 ifüzyonla yük geçişi geçişi ve uzay yük bölgeinin oluşmaı Oluşan bu pn eklemine harici bir uyarım uygulanmadığı takdirde, yük difüzyonundan kaynaklı oluşan elektrik alan bir potaniyel farkı oluşturur. Bu potaniyel farkına inşa potaniyeli (built-in potential/ ) veya bariyer potaniyeli denir. ifüzyon işlemini durduran mekanizma zıt kutuplu yük taşıyıcılarının oluşturduğu elektrik alan dengeidir. Bariyer potaniyelinin değeri germanyum için 0.3V ve iliyum için ie 0.7V düzeylerindedir (Şekil 1).
Buradaki pn eklemi, akımın dikkate alınacak bir değerde tek yönlü olarak aktığını kabul eden diyot davranışını oluşturur. iyotta ileri yönlü akımın girdiği p bölgei anot ve akımın diyottan çıktığı terminal olan n bölgei ie katot adını alır (Şekil 2). Şekil 2 Yarıiletken diyot iyotun çalışmaı, kutuplanmaına bağlı olarak uzay yük bölgeinin (SCR) genişleyip daralmaı prenibi üzeredir. Kaynağın pozitif ucu anoda negatif ucu da katoda bağlanıra diyot ileri yönlü kutuplanır. Bu durumda uzay yük bölgei daralmaya başlar ve uygulanan gerilimin genliği belirli bir eşik gerilim değerini aştığı zaman iletim akımı i akar (Şekil 3). Bu eşik gerilimi öncei de akım akışı olmaına rağmen akım değerinin çok küçük olmaı nedeniyle ihmal edilir. Eşik gerilimini aşan bir uyarım ile diyot akımı ütel bir artış göterir. Şekil 3 İleri yönlü kutuplanmış pn eklemi, azatlım bölgeinin daralmaı ve akımların göterimi iyotun ter kutuplanmaı halinde uzay yük bölgei daha büyüyecek, iletim ancak çok küçük değerli (femto amperler mertebeinde) ter yönlü bir ızıntı akımından ibaret olacaktır (Şekil 4). Bu ızıntı akımı ileri yönlü akım iletimi için önemli bir parametre olup ileri yönlü diyot akımı heabında kendi değeriyle, ter yönlü iletim heabında ie ihmal edilerek kullanılabilir. Şekil 4 Ter yönlü kutuplanmış pn eklemi, azatlım bölgeinin genişlemei ve akımların göterimi
T İleri yönlü heaplamada ter ızıntı akımı büyük değer alan v e / nv terimi ile çarpılmakta, böylece ileri yönlü akımın makul bir değer almaı öz konuu olmaktadır. Ter gerilimlemede ie iletim akımı doğrudan doğruya femto amperler mertebeinde değer alan bu ızıntı akımına eşit olacağından ihmal edilmei makul olmaktadır. Bu ter yönde iletimin olmadığı kabulünü mümkün kılar. iyot elemanına ait devreden bağımız diyot akım ( i ) -gerilim ( v ) ilişkii aşağıdaki ifade ile modellenmektedir. Yarıiletken bir diyot için i ve v araındaki bağıntı; i I ( e v / nv T 1) şeklindedir. Burada; I ter yönlü atürayon akımı ve V T ie termal gerilim olup; V T kt / q k Boltzmann abiti = 1.38x10-23 Joule/Kelvin T Kelvin birimli ıcaklık q Elektron yükü = 1.602x10-19 Coulomb n idealden uzaklaşma faktörü yada emiyon katayıı ifadei ile heaplanır. Oda ıcaklığında (300ᵒK) yaklaşık olarak V T = 26mV alınır. Emiyon katayıı veya idealden uzaklaşma faktörü olarak adlandırılan n, diyotun fabrikayonuna ve malzeme özelliğine göre genellikle 1 ile 2 araında bir değer alır. n = 1 kabul edildiğinde diyot denklemi i I ( e v / V T 1) şekline gelir. Bu katayı diyota ait üretici katalogunda belirtilir. I gibidir. 10pA, T= 300ᵒK de ( V T=26mV ) tipik bir i v diyot akım-gerilim eğrii Şekil 5 de göterildiği Şekil 5 Yarıiletken diyotun i-v karakteritiği
i I ( e v / nv T 1) iyot denkleminde yer alan v nv T e / terimindeki ütelinin 3 e eşit veya büyük olmaı durumunda ifadede yer alan 1 ihmal edilip denklem aşağıdaki şekle gelir. i I ( e T = 300ᵒK de V T = 26mV olduğuna göre n = 1 için geriliminin 0.078 V olmaı bu ihmal için yeterli olacaktır. İleri yönde akım iletimi yapan bir Si diyot için gerilimi yaklaşık 0.7 V mertebelerinde olacağından denklem -1 terimi ihmal edilmiş olarak kullanılabilir. v nv / T ) V RI V 0 V V nvt RI e V 0 Şekil 6 İleri yönlü kutuplamalı diyot devrei ve devre denklemi Yukarıdaki devre denklemi hem gerilimini hem de v nv T e / terimi ile bu gerilimin ütelini içerdiği için tranandantal 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, bilgiayar tabanlı çözümlemelerde nümerik analiz yöntemleri uygulanır. El ile çözüm yöntemi ilk olarak ideal diyot modellemei ile başlar. İdeal olarak kabul edilen diyotta Şekil 7 de görüldüğü gibi v = 0 V ve ileri yönlü iletim direnci r f = 0 Ω kabul edilir. Böylece diyot üzerinde herhangi bir gerilim düşümü oluşmaz. İdeal diyot onraki modeller için tek yönlü iletimi ağlayan bir anahtar işlevli bileşendir. Pratikte böyle bir diyotun bulunmadığı unutulmamalıdır. Şekil 7 İdeal ve gerçek diyot karakteritiği iyot elemanının bir ileri modeli ideal diyot elemanına tıkama yönünde bağlanmış bariyer gerilimi değeri kadar bir gerilim kaynağı içeren Şekil 8'de görülen abit gerilim düşümü modelidir (contant
voltage drop model, CV). Sabit gerilim düşümü modelinde, ileri yönlü kutuplanmış diyot üzerindeki gerilim, diyot akımından bağımız olarak v = V γ V olarak kabul edilir. Şekil 8 de görüldüğü üzere pn eklem diyot bir ideal diyot ve buna eri bağlanmış bir gerilim kaynağı ile temil edilir. İleri yönlü iletim direnci r f = 0 Ω kabul edilmektedir. Şekil 8 Sabit gerilim düşümü modeli ve CV ile gerçek diyot modeli karakteritiklerinin karşılaştırılmaı iyotlu devrelerin analizinde abit 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 yanıtan ilave bir direnç ile modelin daha ilerlemei ağlanır. Bu modele parçalı lineer model (piece-wie linear model, PWL) denir ve daha yükek doğruluk göterir. Şekil 9 da görüldüğü üzere parçalı lineer modelde diyot, bir ideal diyot, eri bağlı bir gerilim kaynağı ve yine eri bağlı bir direnç ile temil edilir. Böylece hem v hem de r f ıfırdan farklı olur. Bu model önceki iki modeli de bünyeinde barındırır. Şekil 9 Parçalı lineer modeli ve PWL ile gerçek diyot modeli karakteritiklerinin karşılaştırılmaı Şekil 9 dan PWL diyot model denklemi;
Olarak yazılır. Şekil 6 daki devre denkleminde PWL model denklemi yerine konulura; ile ifade edilir. Böylece analitik bir çözüm ifadeine ulaşılmış, diyot belirli bir başarım ile el çözümüne tabi tutulabilmiş olur. LE (Light Emitting iode) LE, Light Emitting iode kelimelerinin kıaltılmış halidir ve Işık Yayan iyot anlamına gelir. LE ler foton yayan yarı iletken devre elemanlarıdır. aha önce de belirtildiği gibi ileri yönlü kutuplanan pn eklemde hole ve elektronlar birleşmektedir (rekombinayon). Eğer yarıiletken, GaA gibi doğrudan (direct) geçişli bant aralığına ahipe hole ve elektronlar momentumlarında bir değişiklik olmadan birleşir ve bunun onucunda bir foton yayarlar. Buna karşılık, yarıiletken malzeme Si gibi dolaylı (indirect) geçişli bant aralığına ahipe hole ve elektron birleşiminde momentum değişimi olur ve foton meydana gelmez. Bu nedenle LE'ler GaA gibi bileşik yarıiletkenlerden üretilirler. LE için diyot akımı yarıiletkende meydana gelen rekombinayon oranına bağlıdır. Bununla birlikte LE'den yayılan foton yoğunluğu da diyot akımıyla doğru orantılıdır. Şekil 10 LE lerdeki foton oluşturma olayını götermektedir. Şekil 10 LE de foton oluşma işlemi ve LE embolü LE lerin ortama yaydığı fotonun frekanı, pektrumun görünür ışık bölgeine denk düşer. Bununla birlikte gözle görülemeyen frekanta foton yayan kızılötei (infrared, IR) veya morötei (ultraviole,uv) LE ler de vardır. LE lerin yaydığı foton, yarıiletken malzemedeki katkı maddeleri ile ilgilidir. LE in hangi renkte ışık yaymaı iteniyora galyum, arenit, alüminyum, fofat, indiyum, nitrit gibi malzemelerden uygun oranda yarı iletken taban malzemeye katkı yapılır (GaAIA, GaA, GaAP, GaP, InGaAIP, SiC, GaN). Böylece LE'in itenen dalga boyunda ışıma yapmaı ağlanır. Örneğin kırmızı renk (660nm) için GaAlA, arı renk (595nm) için InGaAIP, yeşil renk (565nm) için GaP, mavi renk (430nm) için GaN kullanılır. LE'lerin genel görünüşü aşağıdaki gibidir.
Şekil 11 LE in şematik görüntüü ve farklı renklerde LE ler Zener iyot aha önceki kıımlarda belirtildiği gibi diyotun ter yönlü kutuplanmaıyla, diyot üzerindeki gerilim belirli bir limitin üzerine çıkamaz. Bununla birlikte bir noktadan itibaren ter yönlü kutuplanan diyotta kırılma (breakdown) meydana gelir ve ter yönde akan diyot akımı hızlıca artmaya başlar. Bu olayın oluştuğu gerilim değerine kırılma gerilimi denir. Ter yönde kırılmanın olduğu diyot akım-gerilim grafiği Şekil 12 de göterilmiştir. Şekil 12 Kırılma geriliminin göterildiği zener diyot i-v karakteritiği ve zener diyot embolü Zener olarak adlandırılan diyotlar, belirli bir kırılma noktaı belirlenilerek taarlanır ve üretilirler. Şekil 12 de zener bölgeinde görülen direnci çok küçük değerlerde olup değeri birkaç ohm ile birkaç 10Ω araında değişiklik göterir. Zener diyotlarda zener potaniyeli katkılamaya bağlı olarak 1,8V ile 200V araında değişiklik göterebilir. Şekil 12 de zener diyot embolü görülmektedir. Burada zener kırılma gerilimi ve akımı ie zener bölgeinde çalışan diyotun ter kutuplama akımını götermektedir.
Adı, Soyadı: Öğrenci No: C. Hazırlık Çalışmaı 1. Aşağıdaki devre için (Vout-t) grafiğini çiziniz. Vin-t grafiği şekildeki gibidir. 10V Vin 5V 0V 0 2 4 6 8 10 V(V1:+) Time
Adı, Soyadı: Öğrenci No: 2. Aşağıdaki devre için Vo çıkış gerilimini bulunuz.
Adı, Soyadı: Öğrenci No:. eney Çalışmaı 1. ijital multimetreyi diyot ölçüm moduna getiriniz. İleri kutuplamada 1N4001 diyotu için açılma gerilimini ölçüp boşluğu doldurunuz. Şekil 13 ijital multimetre ile diyot teti 2. Şekil 14 de görülen devreyi 1N4001, LE ve 3.3V zener elemanları için ayrı ayrı kurunuz. Aşağıdaki tabloda verilen farklı kaynak gerilimleri için ve gerilimlerini ölçünüz. Ölçtüğünüz değerleri yine tabloda ilgili alanlara yazınız. Tabloya yazılan değerleri kullanarak üç farklı diyot için akımgerilim ( ) grafiklerini çiziniz. ( ifadeinden heaplanacaktır.) Şekil 14 1N4001 LE Zener 0.2V 0.2V -5V 0.4V 0.4V -4V 0.6V 0.6V -3V 0.8V 0.8V -2V 1V 1V -1V 2V 2V 0V 3V 3V 0.2V 4V 4V 0.4V 5V 5V 0.6V 6V 6V 0.8V 7V 7V 1V 8V 8V 2V 9V 9V 3V 10V 10V 4V
1N4001 LE 3.3V Zener 3. Şekil 15'teki devre, herhangi bir iki terminalli elemanın ya da devrenin akım-gerilim karakteritiğini oilokop yardımı ile elde etmekte kullanılabilir. Buradaki 1kΩ'luk direnç diyot üzerinden geçen akımın değerini ınırlamak için kullanılmıştır. Oilokop ile akım değeri ölçülemediğinden, devreden geçen akım, diyota eri bağlanmış olan küçük değerli bir direnç üzerindeki gerilimin ölçülüp direnç değerine bölünmeiyle bulunur. Buradaki dikkat edilmei gereken nokta, oilokobun 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 olmaı 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 oilokop ekranında X-Y modunda çıkışı gözleyiniz. Gözlediğiniz çıkışları ilgili koordinat düzlemi üzerine çiziniz. 1k X Y 10V 15V f=100hz 10 GN Şekil 15
X-Y Modu 1N4001 X-Y Modu Zener E. Tartışma 1. Teorik ve deneyel onuçları karşılaştırınız. Sonuçlar araında farklılıklar var ie ebeplerini yazınız. 2. Üzerindeki çizgii ilinmiş olan bir diyotun anot ve katot ucunu dijital bir multimetre ile naıl belirleriniz? 3. Hangi şartlar altında bir eklem diyot açılır açıklayınız. F. Malzeme Litei irençler : 10Ω, 1kΩ iyot : 1N4001 LE : MV5353 Zener iyot : BZX84C3V3 (3.3V) Standart deney teçhizatı KAYNAKLAR: 1. Microelectronic Circuit Analyi and eign, Neamen., 2010 2. Microelectronic Circuit eign, Jeager R., Blalock T., 2011 3. Electronic evice and Circuit Theory, Boyletad R., Nahelky L.