Charakterystyka diody w dwóch temperaturach
Źródło: Matura fizyka rozszerzona 11.4 — Matura maj 2011, stara formuła, poziom rozszerzony, zad. 4
Pomiar charakterystyki diody krzemowej w kierunku przewodzenia (zasilacz o regulowanym napięciu):
| 𝐼, mA | 1 | 7 | 15 | 40 | 90 |
|---|---|---|---|---|---|
| 𝑈1, V (25∘C) | 0,60 | 0,70 | 0,74 | 0,78 | 0,82 |
| 𝑈2, V (100∘C) | 0,51 | 0,61 | 0,65 | 0,73 | 0,76 |
Podpunkt 4.1
Jak należy włączyć amperomierz i woltomierz? (0–1 pkt)
Podpunkt 4.2
Naszkicuj wykresy 𝐼(𝑈 ) dla obu temperatur. (0–3 pkt)
Podpunkt 4.3
Jakie dwie wielkości są proporcjonalne według prawa Ohma? (0–1 pkt)
Podpunkt 4.4
Czy wyniki są zgodne z prawem Ohma (przy stałej temperaturze)? (0–1 pkt)
Podpunkt 4.5
Oszacuj prąd przy 100∘C i napięciu 0,74 V. (0–1 pkt)
Podpunkt 4.6
Czy opór diody w kierunku przewodzenia rośnie, czy maleje ze wzrostem temperatury? Uzasadnij danymi i podaj przyczynę mikroskopową. (0–3 pkt)
Odpowiedź
Podpunkt 4.1
Amperomierz szeregowo z diodą, woltomierz równolegle do diody.
Podpunkt 4.2
Krzywe silnie rosną powyżej progu około 0,5–0,6 V; charakterystyka przy 100°C jest przesunięta w lewo względem 25°C.
Podpunkt 4.3
Wielkości proporcjonalne: natężenie i napięcie, przy stałym oporze i temperaturze.
Podpunkt 4.4
Dioda nie spełnia prawa Ohma: stosunek U/I nie jest stały.
Podpunkt 4.5
Prąd: około 55–60 mA.
Podpunkt 4.6
Opór maleje ze wzrostem temperatury dzięki wzrostowi liczby nośników.
Rozwiązanie
Podpunkt 4.1
Amperomierz szeregowo z diodą, woltomierz równolegle do diody.
Podpunkt 4.2
Obie krzywe są silnie rosnące (wykładnicze) – prawie zerowy prąd do ok. 0,5–0,6 V, potem gwałtowny wzrost; krzywa dla 100∘C leży na lewo od krzywej dla 25∘C (przesunięta o ok. 0,05–0,1 V).
Podpunkt 4.3
Natężenie prądu i napięcie (przy stałym oporze i temperaturze).
Podpunkt 4.4
Nie – stosunek 𝑈 𝐼 nie jest stały (np. 0,6 V/1 mA = 600 Ω, a 0,82 V/90 mA ≈ 9 Ω).
Podpunkt 4.5
Między punktami (0,73 V; 40 mA) i (0,76 V; 90 mA) – ok. 55–60 mA.
Podpunkt 4.6
Maleje – przy tym samym prądzie w 100∘C napięcie jest mniejsze (np. 15 mA: 0,74 wobec 0,65 V). W półprzewodniku wzrost temperatury zwiększa liczbę nośników ładunku (więcej elektronów przechodzi do pasma przewodnictwa).