Ćwiczenie 29
Zdejmowanie charakterystyki diody półprzewodnikowej
I. Zagadnienia do samodzielnego opracowania
1. Rodzaje półprzewodników i ich własności.
2. Model pasmowy półprzewodników.
3. Przewodnictwo samoistne i domieszkowe półprzewodników.
4. Działanie złącza p-n.
II. Wprowadzenie
Działanie złącza p-n
Obszar graniczny rozdzielajÄ…cy obszary o przewodnictwie dziurawym
i elektronowym nazywamy złączem dziurowo-elektronowym lub złączem p-n.
Złącze p-n wytwarza się podczas hodowania kryształu poprzez wprowadzanie
domieszek, drogą dyfuzji termicznej lub poprzez wstrzykiwanie jonów domieszek do
sieci krystalicznej. Na granicy półprzewodników o ró\
nym typie przewodnictwa mamy
do czynienia ze zjawiskiem dyfuzji nośników ładunku elektrycznego. Elektrony i dziury
dyfundujÄ… przez powierzchniÄ™ rozgraniczajÄ…cÄ… dÄ…\
ąc do wyrównania koncentracji.
Elektrony w półprzewodnika typu n dyfundują do półprzewodnika typu p, gdzie
koncentracja elektronów jest mniejsza. Powstają wówczas w monokrysztale o
przewodnictwie elektronowym, w pobli\
u granicy ró\
nych półprzewodników,
niezobojętnione jony donorowe. W monokrysztale typu p mamy niezobojętnione
ujemne jony domieszek akceptorowych. Dyfuzja dziur następuje w kierunku
przeciwnym i zwiększa niezobojętnione ładunki na granicy półprzewodników. Dodatnio
naładowany obszar półprzewodnika o przewodnictwie elektronowym posiada wy\
szy
potencjał od ujemnie naładowanego półprzewodnika typu p. W otoczeniu granicy
półprzewodników typu n i typu p powstaje kontaktowe pole elektryczne oraz ró\
nica
potencjałów (rys. 1a i b)
E
b)
a)
l
V
"V
p n
x
jony akceptorowe jony donorowe
Rys. 1. Schemat złącza p-n (a), potencjał elektryczny po zetknięciu dwóch półprzewodników
typu p i n (b)
Pole to ma taki kierunek, \
e przeciwdziała dyfuzji większościowych ładunków
przez złącze. W obszarze o przewodnictwie typu n oprócz elektronów pochodzących od
domieszek donorowych znajdują się równie\
dziury stanowiące nośniki
mniejszościowe. Równie\
w obszarze półprzewodnika typu p znajduje się pewna ilość
mniejszościowych elektronów swobodnych. Kontaktowe pole elektryczne umo\
liwia
przepływ nośników mniejszościowych do obszaru sąsiedniego. Przez złącze
przepływają więc dwa prądy. Pierwszy, związany z dyfuzją nośników większościowych,
zwany jest prądem dyfuzyjnym; drugi, związany z dryfem nośników mniejszościowych,
1
nazywamy prądem dryfu. W warunkach równowagi, przy braku zewnętrznego pola
( Ezew = 0 ), suma tych prądów jest równa zero. Pole elektryczne przyło\
one do złącza
powoduje zakłócenie równowagi. Jeśli doprowadzimy do złącza p-n napięcie
zewnętrzne U, przy czym obszar o przewodnictwie typu p łączymy z ujemnym
biegunem napięcia, a obszar o przewodnictwie typu n z jego biegunem dodatnim,
wówczas pole pochodzące od przyło\
onego napięcia i pole kontaktowe mają takie same
kierunki i zwroty. Następuje wówczas poszerzenie strefy ładunku przestrzennego oraz
zwiększenie skoku potencjału na złączu p-n do wartości "V +U , co utrudnia przepływ
większościowych nośników przez złącze (rys. 2b). Jest to kierunek zaporowy płynięcia
prądu. W tych warunkach przez złącze przepływa jedynie słaby prąd, zwany prądem
wstecznym, o natÄ™\
eniu zale\
nym od koncentracji nośników mniejszościowych.
b)
a)
p n p n
R
+
+
V V
"V+ U U
"V
"V U "V
x
x
Rys. 2. Polaryzacja złącza: a) w kierunku przewodzenia, b) w kierunku zaporowym
Jeśli natomiast do obszaru o przewodnictwie typu p dołączymy biegun dodatni
z
ródła napięcia, a do drugiego obszaru biegun ujemny, wówczas natę\
enia pola
zewnętrznego i kontaktowego mają przeciwne zwroty. Następuje wówczas zmniejszenie
obszaru ładunku przestrzennego oraz skoku potencjału do wartości "V -U , co sprzyja
przepływowi nośników większościowych przez złącze. Płynie wówczas prąd
przewodzenia. (rys. 2a).
Posługując się modelem pasmowym półprzewodnika mo\
na obliczyć natę\
enie
prądu całkowitego płynącego przez złącze p-n, do którego przyło\
one jest zewnętrzne
napięcie U.
Obliczenia prowadzÄ… do wzoru:
qU
îÅ‚ Å‚Å‚
kT
I = I0 e -1 (8.25)
ïÅ‚ śł
ïÅ‚ śł
ðÅ‚ ûÅ‚
gdzie: I - prąd płynący przez złącze p-n diody,
I0 - całkowity prąd mniejszościowy,
q - Å‚adunek elektronu,
T - temperatura w skali Kelwina
III. Wykonanie ćwiczenia
1. W celu wyznaczenia charakterystyki diody półprzewodnikowej zmontować obwód
według schematu pokazanego na rys. 3.
2
a)
+ -
µÄ™
+ + +
dzielnik
V
V
- napi cia -
Ä™
-
kierunek zaporowy
b)
+ -
Ä™
m
+ + +
dzielnik
V
V
- napi cia -
Ä™
-
kierunek przewodzenia
Rys. 3. Zdejmowanie charakterystyki diody półprzewodnikowej: a) w kierunku zaporowym,
b) w kierunku przewodzenia
2. Po połączeniu diody w kierunku zaporowym dzielnikiem napięcia zmienić napięcie
od 0 do 9V w odstępach co 0,5V i odczytać odpowiednio natę\
enie prÄ…du
elektrycznego wskazane przez mikroamperomierz. Po wykonaniu serii pomiarów
dla kierunku zaporowego włączyć diodę do obwodu w kierunku przewodzenia.
Zmieniając napięcie od 0 do 0,5V w odstępach co 0,1V odczytać odpowiednie
wartości natę\
enia prÄ…du przewodzenia wskazywane przez miliamperomierz.
Tabela pomiarowa
Kierunek U [V]
zaporowy
I
[µA]
Kierunek U [V]
przewodzenia
I [mA]
3. Sporządzić wykresy I = f (U ) dla diody zarówno w kierunku zaporowym, jak
i przewodzenia.
4. Ocenę błędu przeprowadzić metodą graficzną.
Literatura
B. Jaworski i inni, Kurs Fizyki t.1, PWN, Warszawa
M. Leśniak, Fizyka. Laboratorium, wydanie II, Oficyna Wydawnicza PRz, 2002
J. Massalski, M. Massalska, Fizyka dla in\
ynierów, t.1, WNT, Warszawa 1980
Ch.A. Wert, R.M. Thomson, Fizyka ciała stałego, PWN, Warszawa
3