Wydział mechaniczny I rok MTR	Amadeusz Sobczak	9.04.2013r.
Ćw. Nr. 11	Badanie własności prostowniczych diod półprzewodnikowych

1. Wstęp teoretyczny:

Półprzewodniki to materiały IV wartościowe pod względem rezystywności (oporności właściwej) zajmujące pośrednie miejsce między przewodnikami a izolatorami. Do półprzewodników należy: krzem, german, selen, niektóre tlenki metali, niektóre ferryty.

Półprzewodniki znalazły zastosowanie w prostownikach zaporowych. Największe znaczenie praktyczne mają styki dwu półprzewodników o różnych rodzajach przewodnictwa niesamoistnego. Rozróżniamy półprzewodniki niesamoistne typu „n” czyli elektronowe oraz typu „p” – czyli dziurowe. Jeśli teraz za materiał półprzewodnika przyjmiemy german i jeżeli właśnie czysty german będziemy domieszkować pierwiastkami piątej grupy układu okresowego, np. As, Sb, P, to otrzymamy półprzewodnik typu „n”. Poziomy energetyczne atomów domieszkowych umiejscawiają się w paśmie energii wzbronionych, tuż poniżej dna pasma przewodnictwa. Atomy domieszek posiadają w stosunku do atomów germanu o jeden elektron walencyjny więcej i łatwo oddają go do pasma przewodnictwa. Atomy domieszek nazywamy w tym przypadku donorami.

Jeżeli czysty german domieszkować będziemy pierwiastkami trzeciej grupy, np. Al., In, Ga, to otrzymamy półprzewodnik typu „p”. W tym przypadku poziomy energetyczne atomów domieszkowych leżą w paśmie energii wzbronionych, tuż powyżej pasma walencyjnego.

Poziomy energetyczne atomów domieszkowych nie są obsadzone przez elektrony tych atomów i mogą być zajmowane przez elektrony z pasma walencyjnego kryształu. Przejściu elektronu z pasma walencyjnego na poziom domieszki towarzyszy wytworzenie się dziury w paśmie walencyjnym. Atomy domieszkowe nazywamy w tym przypadku akceptorami. W półprzewodniku typu „n” przewodnictwo elektryczne uwarunkowane jest ruchem elektronów zaś w półprzewodniku typu „p” – ruchem dziur.

Granica zetknięcia dwóch półprzewodników, z których jeden odznacza się przewodnictwem elektronowym, drugi zaś przewodnictwem dziurowym nosi nazwę złącza p-n. W złączu p-n czyli w strefie granicznej obszaru n i p zachodzi dyfuzja tj. przenikanie elektronów do dziur. Elektrony zapełniając dziury tworzą warstwę jonów ujemnych i dodatnich. Grubość warstwy nie przekracza kilku mikrometrów. Jony wytwarzają pole elektryczne hamujące dalszy przepływ elektronów. Złącze p-n nazywa się barierą potencjałów lub warstwą zaporową o dużej rezystywności (duży opór wewnętrzny).

Dioda (D) posiada dwa obszary: typu n i typu p czyli jedno złącze p-n a także dwie elektrody: katodę i anodę. Jeżeli do obszaru p dołączymy potencjał +, a do n – to elektrony przenikając barierę potencjałów płyną przez warstwę p przewodami przez kolejne elementy obwodu m.in. źródło, w końcu wracają do warstwy n. Mówimy o spolaryzowaniu złącza w kierunku przewodzenia (przepustowi). Warunkiem tego zjawiska jest to, aby napięcie zasilania obwodu , w którym jest dioda miało wystarczającą wartość np. dla krzemu 0,65 V.

Przy polaryzacji przeciwnej następuje odpływ nośników prądu od złącza w wyniku czego bariera potencjałów powiększa się, zwiększa się jej rezystancja. Prąd w obwodzie w takim wypadku nie popłynie. Wtedy mówimy o polaryzacji wstecznej (zaporowej) diody.

Styk dwóch półprzewodników o różnych znakach nośników prądu posiada więc własności prostowania prądu zmiennego, podobnie jak dwuelektrodowa lampa elektronowa – dioda.

Charakterystyka prądowo-napięciowa przejścia p-n opisana jest równaniem Shockley’a:

$$I = I_{0}\operatorname{(exp}\frac{\text{eU}}{\text{MkT}} - 1)$$

gdzie:

I₀ – wartość prądu nasycenia zależna od materiału p-n

e – ładunek elektronu

U – napięcie przyłożone do diody (U_z < 0, U_p > 0)

T – temperatura złącza

M – współczynnik rekombinacji.

Rys. 1. Charakterystyka prądowo-napięciowa diody.

2. Opis ćwiczenia:

Ćwiczenie polegało na pomiarze natężenia prądu przepływającego przez trzy diody w kierunku przewodzenia i zaporowym. Za każdym razem nieznacznie zwiększano doprowadzane napięcie (z tym, że dla kierunku zaporowego było ono o wiele wyższe).

Pomiarów doprowadzanego napięcia dokonywano woltomierzem (podłączonym równolegle), a prądu w układzie – amperomierzem (podłączonym szeregowo).

3. Charakterystyki prądowo napięciowe diod I = f(U)

Tabela pomiarowa

Dioda 1	Dioda 2	Dioda 3
Kierunek przewodzenia	Kierunek zaporowy	Kierunek przewodzenia
U [V]	I [mA]	U [V]
0	0	0,00
0,100	0,12	2,00
0.150	0,41	4,00
0.160	0,58	6,00
0,170	0,82	8,00
0,180	1,16	10,00
0,190	1,65	12,00
0,200	2,30	14,00
0,210	3,21	16,00
0,220	4,42	18,00
0,230	5,92	20,00
0,240	7,85	21,00
0,250	10,18	22,00
0,260	13,22	23,00
0,270	16,35	24,00

Wykresy charakterystyk prądowo-napięciowych:

DIODA I

DIODA II

DIODA III

Obliczenia i niepewności pomiarowe:

Dla używanych mierników cyfrowych (amperomierza i woltomierza) maksymalny

błąd pomiaru wynosi odpowiednio:

Błąd pomiaru napięcia:

ΔU= U·0,02 = 1,125*0,02 = ±0,0225V

Błąd pomiaru prądu:

ΔI=I·0,03 = 2,299*0,03 = ±0,06897mA

Wartości napięć progowych:

U_b1= 0,25V +/- 0,0525V (1% + 0,05V)

U_b2= 0,75V +/- 0,0575V

U_b3= 0,75V +/- 0,0575V

Tabela błędów pomiarowych

Dioda 1	Dioda 2	Dioda 3
Kierunek przewodzenia	Kierunek zaporowy	Kierunek przewodzenia
U [V]	I [ma]	U [V]
0	0	0,00
0,01	0,00012	0,01
0.015	0,00003	0,02
0.016	0,00002	0,025
0,020	0,0074	0,030
0,021	0,02073	0,031
0,022	0,04794	0,032
0,0225	0,06897	0,033
0,023	0,09390	0,034
0,0235	0,12264	0,035
0,024	0,15600	0,036
0,0245	0,19404	0,037
0,025	0,23112	0,038
0,0255	0,25672	0,039
0,026	0,28901	0,040

Wnioski:

Doświadczenie polegało na wielokrotnym pomiarze natężenia. Sporządzenie wykresów było dość łatwe , ze względu na ogromną ilość pomiarów . Błędy w doświadczeniu są niewielkie . Wykresy są bardzo podobne do podawanych przez inne źródła . Niewielkie błędy wynikają z dużej dokładności mierników. Doświadczenie było przeprowadzone bardzo dokładnie i duża ilość pomiarów pozwoliła na bardzo dokładne sporządzenie wykresów. Niewielkie skoki napięcia powodują dość znaczny wzrost natężenia . Z wykresów można odczytać zakresy stabilizujące działania diod