LABORATORIUM Z FIZYKI
INFORMATYKA 1	Łukasz Stilger	Data: 1999,04,27
ćw. Nr 3	Temat: Badanie własności prostowniczych diody germanowej i prostownika selenowego	OCENA

Teoria:

Tematem ćwiczenia jest zbadanie właściwości prostowniczych prostownika selenowego oraz diod: germanowej i krzemowej.

Rozróżniamy dwa rodzaje półprzewodników niesamoistnych :

• „n” czyli półprzewodniki niesamoistne elektronowe

• „p” czyli półprzewodniki niesamoistne dziurowe

Przewodnictwo elektryczne w półprzewodniku typu n zależy od ruchu elektronów, a w półprzewodniku typu p uwarunkowane jest od ruchu „dziur”.

Zetknięcie się dwóch takich półprzewodników o wyżej wymienionych własnościach nosi nazwę przejścia elektronowo-dziurowego albo złącza p-n. Złącze takie po stronie półprzewodnika niesamoistnego n posiada dużą ilość elektronów, natomiast po stronie półprzewodnika niesamoistnego p posiada duże skoncentrowanie dziur. W stanie równowagi termicznej elektrony przewodnictwa, które pochodzą z donorów, znajdują się w większości w obszarze typu n, gdzie zobojętniają one dodatni ładunek przestrzenny zjonizowanych donorów, podczas gdy dziury pochodzące z akceptorów są głównie w obszarze typu p. Jednak elektronów przewodnictwa nie da się całkowicie odizolować, o ile nie istnieje w obszarze złącza pole elektryczne. Przyjmując, że pierwotnie nie ma pola elektrycznego na złączu, będziemy mieli do czynienia z procesem dyfuzji „dziur” do części n, które pozostawiają w części p ujemnie naładowane jony akceptorowe, jednocześnie elektrony będą dyfundować do części p, pozostawiając w części n dodatnio naładowane jony donorowe. Proces pierwotnej dyfuzji spowoduje powstanie podwójnej warstwy elektrostatycznej na złączu. Z warstwą tą związane jest pole elektryczne E skierowane z części n do p, które przeciwdziała dalszej dyfuzji nośników przez złącze.

Cel zadania:

Celem doświadczenia było zbadanie własności prostowniczych diody germanowej i prostownika selenowego.

Pomiar przeprowadziłem w następujący sposób:

Zdejmowanie charakterystyki prądowo-napięciowej w kierunku przewodzenia i w kierunku zaporowym diody germanowej, krzemowej oraz półprzewodnika selenowego, za pomocą obwodu elektrycznego. (patrz obok rys.1)

Obliczanie oporu diody dla każdej wartości napięcia na podstawie zdjętej charakterystyki prądowo-napięciowej i rysowanie wykresu zależności oporu diody od napięcia w kierunku przewodzenia i w kierunku zaporowym.

Obliczanie współczynnika prostowania α oraz wykreślenie zależności współczynnika prostowania od napięcia przyłożonego do złącza , U=const.

Tabele pomiarowe:

DIODA I - dioda krzemowa, DIODA II - dioda germanowa

1. KIERUNEK PRZEWODZENIA
DIODA I (krzemowa)		DIODA II (germanowa)		PROSTOWNIK SELENOWY
U [V]	I [A]	U [V]	I[A]	U [V]	I[A]
0,1	0,007	0,1	0	0,5	0
0,2	0,046	0,2	0	0,8	0,011
0,3	0,129	0,3	0	1,4	0,166
0,4	0,260	0,4	0	1,8	0,375
0,5	0,392	0,5	0,007	2,0	0,407
0,6	0,561	0,6	0,029	2,4	0,590
0,7	0,732	0,7	0,070	2,9	0,830
		0,8	0,129	3,2	0,960
		0,9	0,241	3,6	1,240
		1,0	0,421
		1,1	0,593
2. KIERUNEK ZAPOROWY
DIODA I (krzemowa)		DIODA II (germanowa)		PROSTOWNIK SELENOWY
U [V]	I [A]	U [V]	I[A]	U [V]	I[A]
1,2	0	1,2	0,421	2	0,024
2,4	0	2,4	0,432	4	0,058
3,6	0	3,6	0,439	6	0,100
4,8	0	4,8	0,451	8	0,152
6,0	0	6,0	0,462	10	0,190
7,2	0	7,2	0,482	12	0,282
8,4	0	8,4	0,493	14	0,384
9,6	0	9,6	0,527	16	0,491
10,8	0	10,8	0,551	18	0,667
12	0	12	0,573
13,2	0	13,2	0,603

Istotnym faktem wynikającym z pomiarów jest fakt, że w kierunku zaporowym wartości natężenia prądu I dla diody krzemowej są równe 0. Oznacza to, iż w kierunku zaporowym przez diodę krzemową prąd nie przepływa.

Obliczenia:

Po złożeniu obwodu zgodnie ze schematem przystąpiłem do badania wartości napięcia i natężenia prądu diody krzemowej, germanowej oraz prostownika selenowego dla kierunku przewodzenia oraz kierunku zaporowego. Pomiary zestawiłem w wyżej załączonej tabeli. Następnie wyliczyłem błędy bezwzględne dla poszczególnych wartości prądu i napięcia. Błędy zostały wyliczone zgodnie z następującymi zależnościami:

Po wykonaniu obliczeń uzyskałem następujące tolerancje pomiarowych wartości:

DIODA I - dioda krzemowa, DIODA II - dioda germanowa

1. KIERUNEK PRZEWODZENIA
DIODA I (krzemowa)							DIODA II (germanowa)					PROSTOWNIK SELENOWY
U [V]			I [A]				U [V]		I[A]			U [V]					I[A]
		±				±		±		±				±						±
0,1		0,005	0,007			0	0,1	0,005	0	0		0,5		0,02			0			0
0,2		0,01	0,046			0,002	0,2	0,01	0	0		0,8		0,04			0,011			0,0005
0,3		0,015	0,129			0,006	0,3	0,015	0	0		1,4		0,07			0,166			0,008
0,4		0,02	0,260			0,01	0,4	0,02	0	0		1,8		0,09			0,375			0,018
0,5		0,025	0,392			0,02	0,5	0,025	0,007	0		2,0		0,1			0,407			0,020
0,6		0,03	0,561			0,03	0,6	0,03	0,029	0,001		2,4		0,12			0,590			0,029
0,7		0,035	0,732			0,04	0,7	0,035	0,070	0,003		2,9		0,14			0,830			0,041
							0,8	0,04	0,129	0,006		3,2		0,16			0,960			0,048
							0,9	0,045	0,241	0,012		3,6		0,18			1,240			0,062
							1,0	0,05	0,421	0,021
							1,1	0,055	0,593	0,029
2. KIERUNEK ZAPOROWY
DIODA I (krzemowa)							DIODA II (germanowa)						PROSTOWNIK SELENOWY
U [V]				I [A]			U [V]		I[A]				U [V]						I[A]
	±				±			±		±						±					±
1,2	0,06			0	0		1,2	0,06	0,421		0,021		2		0,1			0,024			0,001
2,4	0,12			0	0		2,4	0,12	0,432		0,021		4		0,2			0,058			0,002
3,6	0,18			0	0		3,6	0,18	0,439		0,021		6		0,3			0,100			0,005
4,8	0,24			0	0		4,8	0,24	0,451		0,022		8		0,4			0,152			0,007
6,0	0,3			0	0		6,0	0,3	0,462		0,023		10		0,5			0,190			0,009
7,2	0,36			0	0		7,2	0,36	0,482		0,024		12		0,6			0,282			0,014
8,4	0,42			0	0		8,4	0,42	0,493		0,024		14		0,7			0,384			0,019
9,6	0,48			0	0		9,6	0,48	0,527		0,026		16		0,8			0,491			0,024
10,8	0,54			0	0		10,8	0,54	0,551		0,027		18		0,9			0,667			0,033
12	0,6			0	0		12	0,6	0,573		0,028
13,2	0,66			0	0		13,2	0,66	0,603		0,030

Obliczanie współczynnika prostowania:

Ponieważ wykorzystana tabela pomiarowa nie pozwala na odczytanie danych przy stałym napięciu posłużę się wykresem :

• Współczynnik prostowania dla prostownika selenowego wynosi:

, dla U=1.1 V

• Współczynnik prostowania dla diody germanowej wynosi:

, dla U=1.1 V

• Współczynnikiem prostowania dla diody krzemowej jest wyrażenie które w mianowniku posiada bardzo małe wartości zatem
  
  
  

Dyskusja błędu obliczania współczynnika a .

Wnioski:

Z powyższych obliczeń oraz wykresów wynika, że wraz ze wzrostem napięcia współczynniki a wszystkich półprzewodników typu p-n rosną bardzo szybko, przy czym zachowują stałą kolejność w skuteczności prostowania prądu (a_K >> a_G > a_S). Dioda krzemowa jest więc najskuteczniejszym prostownikiem prądu zmiennego (bardzo mały prąd w kierunku zaporowym nawet przy wielkich napięciach). Drugim co do skuteczności prostownikiem okazała się dioda germanowa. Analizując wykres widzimy iż w kierunku przewodzenia „przepuszcza” ona o wiele większe prądy przy stałym napięciu niż prostownik selenowy natomiast w kierunku zaporowym ich opór jest porównywalny. W związku z powyższym można ustalić następującą kolejność jakości prostowników co do prostowania prądu:

Dioda krzemowa

Dioda germanowa

Prostownik selenowy

Wykresy (wykres dla diody w kierunku zaporowym ma opór równy 0 dla każdego V)

---