UNIWERSYTET

WARMIŃSKO - MAZURSKI

WYDZIAŁ NAUK TECHNICZNYCH

LABORATORIUM Z FIZYKI

ĆWICZENIE NR 4

TEMAT: Wyznaczanie charakterystyk statycznych diód półprzewodnikowych w kierunku przewodzenia i zaporowym oraz konstrukcja prostownika jednopołówkowego i dwupołówkowego w układzie Graetza.

Stepnowski Piotr

III MiBM

grupa I, para 4

W ciele stałym odległości między atomami są na tyle małe, że wzajemne oddziaływanie ich pól na siebie powoduje rozszczepienie każdego poziomu elektronowego w atomie na tyle podpoziomów, ile jest oddziałujących ze sobą atomów. W związku z tym, zamiast układów oddzielnych poziomów energetycznych dla poszczególnych atomów otrzymuje się w ciele stałym układ pasm. Pasma charakteryzują się tak bliskim ułożeniem w nich poziomów energetycznych, że trzeba aparatury o bardzo dużej rozdzielczości, aby można było je obserwować. Na poziomach energetycznych w paśmie rozmieszczone są elektrony walencyjne. Pasmo energetyczne w ciele stałym, w których na poziomach energetycznych rozmieszczone są elektrony walencyjne nazywa się pasmem podstawowym. Nad pasmem podstawowym znajduje się pasmo przewodnictwa. Oba te pasma oddzielone są od siebie strefą energetyczną, która równa się energii wiązania kowalencyjnego. Strefa ta jest niedozwolona dla elektronów i zwie się pasmem wzbronionym.

Półprzewodnik samoistny jest, to idealny kryształ o wiązaniach kowalencyjnych, nie zawierający żadnych domieszek ani zakłóceń sieci krystalicznej. O półprzewodnikach domieszkowych możemy mówić wtedy, gdy do struktury kryształu wprowadzimy bardzo małą ilość domieszek ( rzędu 1 atomu domieszki na 10⁷-10⁸atomów półprzewodnika ).

Jednym z najważniejszych czynników decydujących o półprzewodniku jest temperatura. W przewodnikach samoistnych w temperaturze zera bezwzględnego nie ma w ogóle elektronów przewodnictwa. Pojawiają się one w miarę wzrostu temperatury, gdyż niektóre elektrony z pasma walencyjnego otrzymują energie wystarczającą do przejścia przerwy energetycznej E _g . Półprzewodnik ten w temperaturze TK ma przewodność elektryczną właściwą γ zależną wykładniczo od temperatury.

γ₀ - współczynnik o wartości 10⁵ dla większości półprzewodników

k - stała Boltzmanna

W przewodnikach domieszkowych charakterystyczne są energie aktywacji o wartości E₁ lub (E_q-E₂). Oznaczamy ogólnie energię aktywacji donorowej lub akceptorowej E_α. Wtedy wyrażenie na całkowitą przewodność elektryczną właściwą γ_t ma postać

gdzie składnik pierwszy dotyczy przewodności samoistnej, a drugi - przewodności domieszkowej. Składnik pierwszy jest bardzo mały w niskich temperaturach, gdzie o przewodności decydują domieszki. Wraz ze wzrostem temperatury stopniowo coraz większą rolę zaczyna odgrywać przewodność samoistna. Przy pewnej temperaturze kończy się wpływ domieszek na zjawiska przewodzenia prądu. W temperaturach wyższych mamy doczynienia wyłącznie z przewodnością samoistną półprzewodnika.

Na złączu dochodzi do zrównania poziomu Fermiego, aby prawdopodobieństwo przejścia elektronów z pasma podstawowego do pasma przewodnictwa i odwrotnie było największe, co określone jest wzorem

gdy E=E_F f(E)=1/2

E - energia poziomu, który ma być zajęty przez nośnik

E_F - energia poziomu Fermiego

T - temperatura otoczenia półprzewodnika

W warunkach równowagi termicznej, na złączu p-n stale odbywają się dwa ruchy nośników w przeciwnych kierunkach, czyli przepływają dwa prądy. Jeden z nich tzw. prąd rekombinacji I_r wiąże się z przepływem małej liczby dziur z obszaru p do n, gdzie ulegają rekombinacji. Drugi tzw. prąd I_t wynika z generowania dziur w obszarze n dzięki fluktuacjom termicznym i dyfuzji dziur do obszaru p. oba prądy I_r i I_t w warunkach równowagi termicznej są niewielkie i równe sobie, a zatem wypadkowy prąd płynący przez złącze p-n w tych warunkach równa się zeru.

Pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego do złącza p-n (dioda), jeżeli biegun dodatni podłączymy do obszaru n, zaś ujemny do -p, nastąpi wędrówka dziur do bieguna ujemnego, a elektronów do bieguna dodatniego. Warstwa graniczna i otaczające ją najbliższe okolice obszaru zostaną zubożone z nośników ładunków, co z kolei uniemożliwia przepływ prądu, ponieważ wzrośnie opór złącza. Jeśli natomiast zmienimy obwód i biegun dodatni napięcia „+”przyłożymy do obszaru p, a ujemny do - n, nośniki elektryczne po obu stronach zostaną odrzucone i zmuszone do wniknięcia w strefę graniczną. Stanie się ona bogata w te nośniki, a tym samym zmaleje jej oporność.

Tranzystor zbudowany jest z półprzewodnika środkowego o słabo zaznaczonym typie p zwanym bazą, połączony z lewej strony z „silnym” półprzewodnikiem typu n zwanym emiterem, a z prawej strony ze słabym półprzewodnikiem typu n zwanym kolektorem. Na złączu między emiterem a bazą przyłożone jest stosunkowo niewielkie napięcie w kierunku przewodzenia o wartości rzędu kilkudziesiątych wolta. W takich warunkach złącze stawia mały opór. Prąd elektronowy osiąga dużą wartość.

Układ scalony stanowi pojedynczy, niepodzielny element elektroniczny. W skład każdego układu scalonego wchodzą elementy bierne i czynne, nierozłącznie związane za sobą na powierzchni lub w podłożu materiału półprzewodnikowego. W technologii warstwowej część elementów pasywnych oraz część elementów aktywnych jest rozmieszczona na powierzchni warstw nad warstwą (układy hybrydowe). Układy, w których wszystkie elementy występują w podłożu półprzewodnikowym nazywamy układami monolitycznymi.

---