PRAC1FIZ, 48WOJ, I PRACOWNIA FIZYCZNA U


I PRACOWNIA FIZYCZNA U. ŚL.

Nr ćwiczenia .............................temat : ...............................................

..............................................................................................................

Imię i nazwisko.....................................................................................

Rok studiów ........................... kierunek ..............................................

grupa ...................... data wykonania ćwiczenia ..................................

Wstęp teoretyczny.

Półprzewodniki - substancje, których przewodnictwo elektryczne jest o kilka rzędów wielkości mniejsze niż u metali. Dla metali przewodnictwo elektryczne wynosi : 106 - 104

Ω-1cm-1,dla półprzewodników 104 - 10-5 Ω-1cm-1, a dla izolatorów 10-5 - 10-18 Ω-1cm-1.

Elektron przewodnictwa może pojawić się w półprzewodniku czystym tylko w przypadku, gdy walencyjny elektron uwolni się z wiązania. Przy uwalnianiu się elektron otrzymuje dodatkową energię ΔE. Energiami wyższymi od poziomu Ec rozporządzają się tylko elektrony swobodne, a energiami mniejszymi od Ew tylko elektrony walencyjne.

Strefę energii powyżej Ec nazywamy pasmem przewodnictwa, a strefę poniżej Ew -pasmem walencyjnym. Ponieważ w idealnych kryształach elektrony nie mogą mieć energii w strefie między Ec i Ew więc strefę tą nazywa się strefą energii wzbronionej lub strefą wzbronioną. Szerokość strefy wzbronionej charakteryzuje energię ΔE konieczną dla oswobodzenia elektronów z więzi walencyjnych. Dla germanu szerokość strefy wzbronionej wynosi 0,72 eV, a dla krzemu 1,12 eV ( w temperaturze T = 300K ). Oswobodzenie elektronów walencyjnych może odbyć się na koszt :

Poziom Fermiego - najwyższy poziom zajęty przez elektron.

Nośnikami prądu mogą być elektrony swobodne jak i dziury . Dziura to miejsce po wyrwanym elektronie walencyjnym. Jej ładunek dodatni co do wartości bezwzględnej jest równy ładunkowi elektronu. W każdej temperaturze, w stanie równowagi dynamicznej, liczba nowo powstających dziur i swobodnych elektronów będzie równa liczbie znikających dziur i swobodnych elektronów. Koncentracja n- ( liczba w 1 cm3 ) takich swobodnych elektronów lub elektronów przewodnictwa, jak również równa jej liczba dziur n+ będzie zależała od temperatury T i szerokości strefy wzbronionej ΔE.

n- = noe -ΔE/2kT

n+ = noe -ΔE/2kT

gdzie:

e - podstawa logarytmów naturalnych

no - liczba elektronów uczestniczących w wiązaniach walencyjnych

k - stała Boltzmana.

Jeżeli przyłożymy pole elektryczne, to elektrony i dziury zachowując swój ruch termiczny będą poruszać się ruchem uporządkowanym w kierunku sił pola.

Ich uporządkowane ruchy o zwrotach przeciwnych stanowić będą prąd elektryczny, którego natężenie I określa równanie transportu ładunków:

I = nSe(v++v-)

gdzie:

S - przekrój przewodnika

v+,v- - prędkość ruchu uporządkowanego dziur (+) i elektronów (-)

Donorami nazywamy atomy pierwiastków pięciowartościowych np.: arsenu, fosforu, antymonu. Atom domieszkowy zapełnia cztery wiązania walencyjne sąsiednich atomów swoimi czterema elektronami zewnętrznymi. Piąty elektron pod wpływem ruchów termicznych odłancza się i staje się elektronem swobodnym, który może obsadzić dziurę.

Półprzewodnik z domieszką pierwiastków pięciowartościowych nazywamy półprzewodnikiem domieszkowym typu n.

Akceptorami nazywamy atomy pierwiastków trójwartościowych np.: indu, galu, aluminium, boru. Atom ten zapełnia tylko trzy wiązania walencyjne sąsiednich atomów. Nie obsadzone, puste wiązanie walencyjne staje się dziurą. Półprzewodnik z domieszką akceptorów nazywamy półprzewodnikiem domieszkowym typu p.

Diodą półprzewodnikową (złączem p-n) nazywamy układ, w którym półprzewodnik typu p ściśle przylega do półprzewodnika typu n. Jedna część diody wykazuje przewodnictwo dziurowe, druga elektronowe. Przez granicę zetknięcia obu obszarów elektrony i dziury mogą przechodzić dzięki zjawisku dyfuzji. Na granicy obszarów n i p powstaje obszar o bardzo zmniejszonej koncentracji nośników większościowych tzw. O bardzo zmniejszonym przewodnictwie. Obszar ten nazywamy warstwą zaporową złącza p-n. Między obszarami p i n wytwarza się różnica potencjałów Uk zwana napięciem kontaktowym. Tą różnicę potencjałów nazywamy barierą potencjału. Całkowity prąd płynący przez złącze p-n jest równy sumie prądu dyfuzji i prądu unoszenia ( ze znakiem minus ).

Wykonanie ćwiczenia.

Do przebadania mamy cztery diody: krzemową, germanową, Zenera i nieznaną.

1.Budujemy obwód do badania charakterystyki diody w kierunku przewodzenia. Diodę podłączamy przez opór zabezpieczający.

2.Wykonujemy pomiary wstępne zależności I = I(U).

3.Przeprowadzamy pomiary właściwe (bez oporu zabezpieczającego).

4.Budujemy obwód do badania charakterystyki diody w kierunku zaporowym.

5.Wykonujemy pomiary wstępne zależności I = I(U) .

OPRACOWANIE WYNIKÓW

DIODA 1

Dioda badana była w kierunku przewodzenia oraz zaporowym bez oporu zabezpieczającego.

  1. W kierunku przewodzenia

Napiecie U [ V ]

Natężenie I [mA]

Napiecie U [ V ]

Natężenie I [mA]

0,3

0

0,7

3,1

0,4

0

0,8

3,6

0,5

1

0,85

5

0,6

2

0,9

7,3

Błędy pomiarowe ΔI = 0,5 [mA] , ΔU = 0,05 [V] wynikają z klasy przyrządów.

Dla ustalonego punktu P w kierunku przewodzenia ustalono ( biorąc przyrosty wartości napięcia i natężenia prądu ze stycznej do punktu P ) :

δUp = 0,15 [V]

δIp = 5,5 [mA]

Wyliczam wartość δRp = δUp / δIp

Niepewność pomiarowa ΔRp obliczam metodą pochodnej logarytmicznej

ΔRp = δRp {(ΔUp/δUp)- (ΔIp / δIp)}

Błąd względny Bw = (ΔX / X)*100%

gdzie X - wartość mierzona

ΔX - błąd wartości mierzonej

Bw = 40 %

  1. W kierunku zaporowym nie stwierdzono przepływu prądu.

DIODA 2

  1. W kierunku przewodzenia

Napiecie U [ V ]

Natężenie I [mA]

Napiecie U [ V ]

Natężenie I [mA]

0,8

250

-0,7

-0,0001

0,7

66

-0,8

-0,00012

0,6

25

-0,9

-0,0002

0,5

8

-1

-0,00024

0,4

1

-1,2

-0,0005

-0,2

-0,00001

-1,4

-0,001

-0,4

-0,00002

-1,5

-0,0014

-0,6

-0,00003

  1. W kierunku zaporowym

Napiecie U [ V ]

Natężenie I [μA]

Napiecie U [ V ]

Natężenie I [μA]

-0,2

-0,01

-0,9

-2

-0,4

-0,02

-1

-2,4

-0,6

-0,03

-1,2

-5

-0,7

-1

-1,4

-10

-0,8

-1,2

-1,5

-14

Błędy pomiarowe ΔI = 0,5 [mA] , ΔU = 0,05 [V] wynikają z klasy przyrządów., w kierunku zaporowym ΔI = 0,5 [μA] , ΔU = 0,05 [V]

Dla ustalonego punktu P w kierunku przewodzenia ustalono ( biorąc przyrosty wartości napięcia i natężenia prądu ze stycznej do punktu P ) :

δUp = 0,1 [V]

δIp = 184 [mA]

δRp =0, 5 [Ω]

Niepewność pomiarowa ΔRp obliczam metodą pochodnej logarytmicznej

ΔRp = δRp {(ΔUp/δUp)- (ΔIp / δIp)}

Błąd względny Bw = (ΔX / X)*100%

gdzie X - wartość mierzona

ΔX - błąd wartości mierzonej

Bw = 50 %

Napiecie U [ V ]

Natężenie I [mA]

Napiecie U [ V ]

Natężenie I [mA]

3

110

0,6

8

2,6

94

0,4

1

2,4

88

-0,2

-0,0002

2,2

80

-0,4

-0,0004

2

64

-0,6

-0,0008

1,8

56

-0,8

-0,0014

1,6

47

-1

-0,003

1,4

39

-1,2

-0,0058

1,2

29

-1,4

-0,0102

1

21

-1,5

-0,0148

0,8

13

Napiecie U [ V ]

Natężenie I [μA]

Napiecie U [ V ]

Natężenie I [μA]

-0,2

-0,2

-1

-3

-0,4

-0,4

-1,2

-5,8

-0,6

-0,8

-1,4

-10,2

-0,8

-1,4

-1,5

-14,8

Błędy pomiarowe ΔI = 0,5 [mA] , ΔU = 0,05 [V] wynikają z klasy przyrządów., w kierunku zaporowym ΔI = 0,5 [μA] , ΔU = 0,05 [V]

W kierunku przewodzenia

δUp =1,2[V]

δIp = 56 [mA]

δRp = 21,5 [Ω]

W kierunku zaporowym

δUr = 0,4[V]

δIr = 14,8 [μA]

δRr = 27[kΩ]

Niepewność pomiarowa ΔRp obliczam metodą pochodnej logarytmicznej

ΔRp = δRp {(ΔUp/δUp)- (ΔIp / δIp)}

W kierunku przewodzenia

ΔRp = 1,6[Ω]

Bw = 7,6%

W kierunku zaporowym

ΔRr = 4,7[kΩ]

Bw = 17,4%

DIODA 3

Napiecie U [ V ]

Natężenie I [mA]

0,5

1

0,6

5

0,7

23

0,8

49

0,9

260

Błędy pomiarowe ΔI = 0,5 [mA] , ΔU = 0,05 [V] wynikają z klasy przyrządów

δUp = 0,05[V]

δIp = 260[mA]

δRp = 0,4[Ω]

Niepewność pomiarowa ΔRp obliczam metodą pochodnej logarytmicznej

ΔRp = δRp {(ΔUp/δUp)- (ΔIp / δIp)}

Bw = 50%

Napiecie U [ V ]

Natężenie I [mA]

Napiecie U [ V ]

Natężenie I [mA]

0,5

1

2,8

98

0,6

2

3

108

0,7

5

3,4

128

0,8

9

3,8

143

0,9

12

4

155

1

16

4,2

165

1,2

24

4,4

175

1,4

34

4,6

185

1,6

43

4,8

195

1,8

51

5

205

2

60

5,2

215

2,2

69

5,4

225

2,4

80

2,6

90

Błędy pomiarowe ΔI = 0,5 [mA] , ΔU = 0,05 [V] wynikają z klasy przyrządów

δUp = 5,4 - 1,2 = 4,2[V]

δIp = 225 - 24 = 201[mA]

δRp = 21[Ω]

Niepewność pomiarowa ΔRp obliczam metodą pochodnej logarytmicznej

ΔRp = δRp {(ΔUp/δUp)- (ΔIp / δIp)}

ΔRp = 0,3[Ω]

Bw = 1,4%

Wnioski

Opornik dołączony do układu pozwalał na dokładniejsze odczytanie mierzonych wartości, gdyż układ mniej gwałtownie reagował na zmiany napięcia zasilającego. Różnice wartości wyliczonych oporów dla tych samych diod spowodowana jest dołączonym oporem zabezpieczającym, którego opór jest bardzo duży w porównaniu do oporu statycznego diody.

Na podstawie wyników doświadczenia stwierdzam, że dioda 2 jest diodą Zenera, a napięcie Zenera odczytane z wykresu wynosi 1,6 V .


Wyszukiwarka