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
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 212 Elektronik Lab.1 Deney#1
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).
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 212 Elektronik Lab.1 Deney#1
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
v / nV
İleri yönlü hesaplamada ters sızıntı akımı büyük değer alan e D T terimi ile çarpılmakta, böylece ileri
yönlü akımın makul bir değer alması söz konusu olmaktadır. Ters gerilimlemede ise iletim akımı
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 212 Elektronik Lab.1 Deney#1
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 D arasındaki bağıntı;
iD  I s (e vD / nVT  1)
şeklindedir. Burada; I s ters yönlü satürasyon akımı ve VT ise termal gerilim olup;
VT  kT / q
k  Boltzmann sabiti = 1.38x10 Joule/Kelvin
T  Kelvin birimli sıcaklık
q  Elektron yükü = 1.602x10-19 Coulomb
-23
n  idealden uzaklaşma faktörü yada emisyon katsayısı
ifadesi ile hesaplanır.
Oda sıcaklığında (300ᵒK) yaklaşık olarak VT = 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
iD  I s (e vD / VT  1)
şekline gelir. Bu katsayı diyota ait üretici katalogunda belirtilir.
I s  10pA, T= 300ᵒK de ( VT =26mV ) tipik bir iD  v D diyot akım-gerilim eğrisi Şekil 5’de gösterildiği
gibidir.
Şekil 5 Yarıiletken diyotun i-v karakteristiği
iD  I s (evD / nVT  1)
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 212 Elektronik Lab.1 Deney#1
yot denkleminde yer alan
evD / nVT terimindeki
𝑉𝐷
𝑛 𝑉𝑇
üstelinin 3’e eşit veya büyük olması durumunda
ifadede yer alan 1 ihmal edilip denklem aşağıdaki şekle gelir.
iD  I s (evD / nVT )
T = 300ᵒK de VT = 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.
Vs  RI D  VD  0
Vs  RI s e
VD
nVT
 VD  0
Şekil 6 İleri yönlü kutuplamalı diyot devresi ve devre denklemi
v / nV
Yukarıdaki devre denklemi hem 𝑉𝐷 gerilimini hem de e D T 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
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 212 Elektronik Lab.1 Deney#1
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;
𝑉𝐷 = 𝑉𝛾 + 𝑟𝑓 𝐼𝐷
Olarak yazılır. Şekil 6’daki devre denkleminde PWL model denklemi yerine konulursa;
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 212 Elektronik Lab.1 Deney#1
𝑉𝑠 − 𝑅𝐼𝐷 − 𝑉𝐷 = 0
𝑉𝑠 − 𝑅𝐼𝐷 − (𝑉𝛾 + 𝑟𝑓 𝐼𝐷 ) = 0
𝐼𝐷 =
𝑉𝑠 − 𝑉𝛾
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.
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 212 Elektronik Lab.1 Deney#1
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 𝑉𝑧0 kırılma noktası belirlenilerek tasarlanır ve üretilirler.
Şekil 12’de zener bölgesinde görülen 𝑟𝑧 direnci çok küçük değerlerde olup değeri birkaç ohm ile birkaç
10Ω arasında değişiklik gösterir. Zener diyotlarda 𝑉𝑧0 zener potansiyeli katkılamaya bağlı olarak 1,8V
ile 200V arasında değişiklik gösterebilir. Şekil 12’de zener diyot sembolü görülmektedir. Burada 𝑉𝑧
zener kırılma gerilimi ve 𝐼𝑧 akımı ise zener bölgesinde çalışan diyotun ters kutuplama akımını
göstermektedir.
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 212 Elektronik Lab.1 Deney#1
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.
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 212 Elektronik Lab.1 Deney#1
Adı, Soyadı:
Öğrenci No:
C. Hazırlık Çalışması
1. Aşağıdaki 𝑉𝑖𝑛 geriliminin zamana göre değişim grafiği verildiğine göre devrenin çıkış eğrisini
çiziniz.
10V
Vin
5V
0V
0s
2s
4s
6s
8s
10s
V(V1:+)
Time
2. Aşağıdaki devre için Vo çıkış gerilimini bulunuz.
Vz = 3.2V
rz = 0Ω
Vγ = 0.6V
rf = 0Ω
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 212 Elektronik Lab.1 Deney#1
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 akımgerilim (𝐼𝐷 − 𝑉𝐷 ) grafiklerini çiziniz. (𝐼𝐷 = 𝑉𝑅 ⁄𝑅 ifadesinden hesaplanacaktır.)
Şekil 14
𝑣𝑠
𝐼𝐷 = 𝑉𝑅 ⁄𝑅
0.2V
0.4V
0.5V
0.6V
0.7V
0.8V
0.9V
1V
2V
3V
4V
5V
6V
7V
8V
9V
𝑣𝑠
1N4001
0.2V
0.5V
1V
1.5V
2V
2.2V
2.4V
2.6V
2.8V
3V
3.5V
4V
5V
6V
7V
8V
𝑣𝑠
LED
𝐼𝐷 = 𝑉𝑅 ⁄𝑅
𝑉𝐷
Zener
𝐼𝐷 = 𝑉𝑅 ⁄𝑅
𝑉𝐷
-7V
-6V
-5V
-4V
-3V
-2V
-1V
0.2V
0.4V
0.6V
0.8V
1V
2V
3V
4V
5V
𝑉𝐷
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 212 Elektronik Lab.1 Deney#1
Adı, Soyadı:
Öğrenci No:
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 212 Elektronik Lab.1 Deney#1
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.
X
1k
Y
10V
15V
f=100Hz
10
GND
Şekil 15
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 212 Elektronik Lab.1 Deney#1
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 212 Elektronik Lab.1 Deney#1
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.