EAIE	Imię i nazwisko: Dominika Łuszczuk		Rok I	Grupa dziek. IV		Zespół 2
Pracownia fizyczna I	Półprzewodnikowe złacze p-n					Nr ćwiczenia 123
Data wykonania:	Data oddania:	Zwrot do poprawy:	Data oddania:		Data zaliczenia:	Ocena:

Wstęp teoretyczny

W ciałach stałych energie elektronów ograniczone są do pewnych poziomów, które z kolei należą do pasm. Pasma wypełnione elektronami walencyjnymi noszą nazwę pasm walencyjnych (lub podstawowych), a pasma wypełnione częściowo lub puste (odpowiadające większym energiom) - pasm przewodnictwa. Między poszczególnymi pasmami występują przerwy energetyczne, w których przebywanie elektronu jest niemożliwe. W pasmach przewodnictwa istnieją dozwolone puste stany energetyczne. Elektrony pod wpływem np. zewnętrznego pola elektrycznego mogą przenosić się na nie, zatem biorą udział w przewodnictwie elektrycznym.

Klasyfikacja ciał stałych ze względu na przewodnictwo elektryczne

1. Przewodniki - materiały o niecałkowicie obsadzonym paśmie podstawowym lub o zlewających się ze sobą paśmie podstawowym i przewodzenia.

2. Półprzewodniki - ich najwyższe zapełnione pasmo walencyjne jest oddzielone przerwą od najniższego pasma przewodnictwa, (przerwa energetyczna Eg<2 eV - elektrony mogą łatwo ją „przeskoczyć", czerpiąc energię np. z fluktuacji termicznych).

3. Izolatory - przerwa pomiędzy wyżej wymienionymi pasmami jest większa, trudna do pokonania przez elektrony (przerwa energetyczna Eg>2eV).

Przewodnictwo półprzewodnika powstające dzięki wzbudzeniom termicznym zwane jest przewodzeniem samoistnym.

Przewodniki niesamoistne to takie, które wytwarzane są w procesie domieszkowania. Domieszkowanie polega na zastąpieniu niektórych atomów w półprzewodniku atomami innego pierwiastka, mającymi w przybliżeniu takie same rozmiary, ale inną liczbę elektronów walencyjnych. Na skutek tego działania w pobliżu płaszczyzny złącza występują gradienty koncentracji dziur elektronów co jest przyczyną dyfuzji dziur z obszaru typu P do obszaru typu N oraz elektronów z obszaru typu N do obszaru typu P.

Donorem nazywamy domieszkę dostarczająca wolnych elektronów, otrzymany poprzez domieszkowanie przewodnik- przewodnikiem typu n (negative - ujemny), gdyż posiada nadmiar swobodnych elektronów. Domieszka mająca za mało elektronów nazywana jest akceptorem, a otrzymany półprzewodnik - półprzewodnikiem typu p (positive - dodatni).

Warstwowe złącze p-n

Jest to płaszczyzna rozdzielającą dwa sąsiednie obszary półprzewodnikowe, przy czym jeden z nich jest typu P a drugi typu N. Półprzewodniki tworzące złącze różnią się typem nośników większościowych i ich koncentracją. W krysztale typu p głównymi nośnikami ładunku są dziury, a nośnikami mniejszościowymi elektrony, w krysztale typu n mamy sytuację odwrotną.

Podczas dyfuzji nośników kryształy półprzewodników zaczynają tworzyć jednolity układ i poziomy Fermiego znajdą się w nich na tej samej wysokości. Prowadzi to do przemieszczania się względem siebie pasm energetycznych w obu kryształach i powstania w obszarze kontaktu bariery potencjału o wysokości , gdzie - kontaktowa różnica potencjałów.

Strumień większościowych nośników ładunku, które przechodzą przez złącze p-n tworzy prąd dyfuzyjny . Zależność I_d od wielkości bariery potencjałów określa czynnik (wynikający z rozkładu Boltzmanna):

I_d ∼ exp(eU/kT).

Przechodzeniu większościowych nośników ładunku przez złącze p - n towarzyszy przechodzenie mniejszościowych, przy czym ich strumień jest skierowany przeciwnie i tworzy prąd dryfu (prąd unoszenia) .

W warunkach równowagi prądy te są równe, ale są przeciwnie skierowane, więc prąd całkowity złącza .

Przyłożenie zewnętrznego napięcia U do złącza powoduje naruszenie istniejącej poprzednio równowagi. Zależnie od sposobu jego podłączenia do złącza możliwe jest obniżenie lub podwyższenie wewnętrznej bariery potencjału o wartość .

W zależności od sposobu połączenia ze źródłem prądu, złącze typu p-n może być spolaryzowane w kierunku przewodzenia lub w kierunku zaporowym.

1. Polaryzacja w kierunku przewodzenia.

Obszar P połączony jest z biegunem dodatnim a N z ujemnym. Dziury znajdujące się w obszarze typu P łatwo dyfundują do obszaru typu N, natomiast elektrony w kierunku odwrotnym.

Prąd płynący w złączu p-n w wyniku dyfuzji nośników większościowych (prąd dyfuzyjny) wzrasta.

Źródło zewnętrzne wskutek zwiększenia liczby nośników większościowych w pobliżu złącza neutralizuje ładunek przestrzenny w warstwie zaporowej, tzn. zmniejsza szerokość tej warstwy i obniża barierę potencjału, która przed przyłączeniem źródła uniemożliwia przepływ ładunków większościowych w półprzewodniku po osiągnięciu stanu równowagi.

Zmniejszenie bariery potencjału powoduje dalszy wzrost liczby nośników większościowych dyfundujących. Istniejący prąd wsteczny uwarunkowany energią cieplną płytki pozostaje bez zmiany.

Prąd dyfuzyjny jest znacznie większy niż prąd wsteczny. Różnica tych prądów (prąd przewodzenia) znacznie wzrasta gdy doprowadzane napięcie przekroczy pewną wartość progową.
 

2. Polaryzacja w kierunku zaporowym. 

Złącze podłączone jest do źródła prądu o odwrotnej biegunowości. Biegun ujemny przyciąga dziury z półprzewodnika typu P, a odpycha elektrony, natomiast biegun dodatni przyciąga elektrony znajdujące się w półprzewodniku typu N, a odpycha dziury.

W złączu odbywa się tylko ruch nośników mniejszościowych (prąd wsteczny).

Polaryzacja powoduje rozszerzenie warstwy zaporowej pozbawionej nośników większościowych ładunku, a tym samym odznacza się dużą rezystancją. Przepływ nośników większościowych zostaje całkowicie zablokowany i w obwodzie zewnętrznym płynie tylko niewielki prąd wsteczny, prąd dyfuzyjny maleje.

Zmiany natężenia prądu idealnego złącza p-n w funkcji napięcia polaryzacji opisuje wzór Shockley´a:

gdzie: U - napięcie zewnętrzne przyłożone do złącza (napięcie polaryzacji),

I_s - prąd nasycenia złącza,

T - temperatura [K],

k= 1.38·10-23 J/K (stała Boltzmana)

- potencjał termiczny złącza.

Z dobrym przybliżeniem przyjmuje się, że dla napięcia w kierunku zaporowym U> 0,1V mamy:

Powyższe równania stanowią tzw. statyczną charakterystykę prądowo - napięciową złącza p - n. Opisuje on idealną charakterystykę tego złącza.

Rys. 1. Charakterystyka napięciowo- prądowa złącza p-n.

Charakterystyka prądowo - napięciowa złącza jest silnie nieliniowa. Złącze p-n umożliwia przepływ prądu tylko w jednym kierunku - w kierunku przewodzenia.

Po przekroczeniu tzw. napięcia progowego (dla krzemu wynosi ono ok. 0,7V, a dla germanu ok. 0,2V) prąd przewodzenia zwiększa się bardzo szybko. Natomiast przy polaryzacji w kierunku zaporowym prąd jest bardzo mały.

Mówimy, że złącze p-n ma właściwości prostownicze. Przy dużym napięciu wstecznym (po przekroczeniu tzw. napięcia przebicia) rozpoczyna się zjawisko przebicia lawinowego, a więc szybkie narastanie prądu przy prawie stałym napięciu na diodzie. Może to spowodować zniszczenie diody, jeżeli nie ograniczy się prądu przez włączenie szeregowo dodatkowej rezystancji.

Charakterystyki rzeczywistych diod wykazują większy spadek napięcia w kierunku przewodzenia i większą wartość prądu wstecznego w kierunku zaporowym w porównaniu do idealnego złącza p - n. Napięcie przewodzenia diody UF określa się przy prądzie przewodzenia IF = 0,1* IFmax, gdzie IFmax - maksymalny prąd przewodzenia, nie powodujący uszkodzenia diody.

Rodzaje elementów (przyrządów) półprzewodnikowych:

- tranzystory (bipolarne, unipolarne)

- diody

- tyrystory

- hallotrony

- termistory

Elementy półprzewodnikowe znajdują zastosowanie m.in. w budowie układów scalonych.

Diody są najprostszymi, dwukońcówkowymi elementami, zawierającymi

złącza półprzewodnikowe. Zwykle dioda jest zbudowana z pojedynczego złącza

p-n lub złącza metal-półprzewodnik (m-s).

Podział diod:

- Ze względu na konstrukcje: diody ostrzowe (prostujące prąd za pomocą złącza metal-półprzewodnik) oraz warstwowe (prostowanie odbywa się za pomocą złącza p-n o dużej powierzchni).

- Ze względu na zastosowanie: diody prostownicze, detekcyjne, impulsowe, stabilizujące i generacyjne.

- Ze względu na zachodzące w nich zjawiska fizyczne: diody Zenera, Gunna, lawinowe, tunelowe i inne.

Diody prostownicze, przeznaczone do prostowania prądu przemiennego o małej częstotliwości przy dużych mocach wydzielanych w obciążeniu, są to diody warstwowe (dyfuzyjne lub stopowe) wytwarzane z krzemu lub rzadziej z germanu.

Efekt Zenera

Przy polaryzacji zaporowej odpowiednio dużym napięciem wstecznym złącz złożonych z obszarów o dużej koncentracji domieszek akceptorowych i donorowych, pasmo przewodnictwa po stronie n złącza leży naprzeciw pasma walencyjnego po stronie p. Przy dużej koncentracji domieszek szerokość przerwy energetycznej jest mała i może zachodzić tunelowe przejście elektronów z obszaru p do n.

Zjawisko to jest nazwane zjawiskiem Zenera. Powoduje ono gwałtowny wzrost prądu wstecznego w diodach po przekroczeniu progowego napięcia Zenera U_z.

Diody Zenera to diody przeznaczone do stabilizacji lub ograniczenia napięcia. Pracują przy polaryzacji w kierunku zaporowym. Charakteryzują się niewielkimi zmianami napięcia przy dużych zmianach prądu. Wykorzystują one zjawisko Zenera (występujące w złączach silnie domieszkowanych przy napięciach do 5V) bądź lawinowe (występujące w złączach słabo domieszkowanych przy napięciach ponad 7V). Diody te zbudowane są z krzemu.
Dioda Zenera zachowuje się w kierunku przewodzenia jak zwykła dioda, ale ma bardzo dokładnie określone napięcie przebicia w kierunku wstecznym (tj. napięcie, przy którym prąd wsteczny diody gwałtownie rośnie).

Zastosowanie: układy stabilizacji napięć, ograniczniki amplitudy, układy źródeł napięcia odniesienia.

Rys. 2. Charakterystyka prądowo - napięciowa diody Zenera.

Gdzie:

U_Z - napięcie stabilizacji diody Zenera,

U_F / I_F - napięcie/prąd przewodzenia,

U_R / I_R - napięcie wsteczne / prąd wsteczny,

I_Z - prąd stabilizacji

r_Z - rezystancja dynamiczna.

Rezystancja dynamiczna - r_Z

zależy od wartości napięcia stabilizacji i prądu stabilizacji. Wynosi ona od kilku do kilkudziesięciu omów. Minimalną rezystancję dynamiczną mają diody o napięciu stabilizacji U_Z = 6 ¸ 8 V.

r_Z = ΔU / ΔI

Współczynnik stabilizacji diody Zenera jest stosunkiem względnej zmiany napięcia do względnej zmiany prądu. Można go też określić jako stosunek oporności dynamicznej r_z do statycznej R_z diody Zenera:

Wyniki pomiarów

I [mA]	Napięcie U [V] dla diod:
		germanowej	krzemowej	Zenera
0,1	0,066	0,423	0,573
0,2	0,086	0,462	0,61
0,3	0,099	0,485	0,627
0,5	0,115	0,512	0,646
0,7	0,126	0,529	0,657
1	0,138	0,547	0,669
2	0,167	0,583	0,69
3	10,186	0,604	0,702
5	0,215	0,629	0,718
7	0,237	0,645	0,727
10	0,265	0,663	0,737

Tabela 1: Pomiary charakterystyk prądowo- napięciowych dla kierunku przewodzenia

Wykres 1. Zależność log(I)= f(U) dla poszczególnych diod (złącze p-n spolaryzowane w kierunku przewodzenia).

Wykres 2. Zależność I= f(U) dla poszczególnych diod (złącze p-n spolaryzowane w kierunku przewodzenia).

U [V]	Natężenie prądu zaporowego IZ diod		I [mA]	Napięcie Uz [V] diody Zenera
		germanowej [μA]			krzemowej [nA]
0,1	8,3	12	0,1	8,546
0,2	8,7	21	0,2	8,787
0,3	8,8	31	0,3	9,009
0,5	8,8	52	0,5	9,314
0,7	8,8	72	0,7	9,524
1	8,9	101	1	9,759
1,5	9	152	1,5	10,008
2	9,1	201	2	10,265
3	9,4	298	3	10,406
4	9,7	399	4	10,418
5	9,8	500	5	10,428
6	10,7	1135	6	10,434
7	11,8	1145	7	10,439
8	12,6	1190	8	10,448
9	13	1298	9	10,454
10	14,3	1299	10	10,461
			Uz	9,524
						Z	0,102

Tabela 2. Pomiary charakterystyk prądowo- napięciowych dla kierunku zaporowego

Obliczenie współczynnika stabilizacji diody Zenera Z

==> Z = (1,915 V/0,0099 A) / (9,524 V / 0,005 A) = 0,101551 ≈ 0,102

Wykres 3. Zależność I= f(U) dla diody krzemowej i germanowej (złącze p-n spolaryzowane w kierunku zaporowym).

Wykres 4. Zależność I= f(U) dla diody Zenera (złącze p-n spolaryzowane w kierunku zaporowym).

Wnioski

Otrzymane charakterystyki prądowo-napięciowe poszczególnych diod różnią się nieco od charakterystyki idealnego złącza p-n. Współczynnik stabilizacji diody Zenera wyniósł 0,102.

Dioda germanowa i krzemowa widocznie się różnią: dla złącza spolaryzowanego w kierunku przewodzenia widać przesunięcie wykresów diody Ge względem Si o ok. 0,4 V. Jest ono związane z szerokością przerwy energetycznej w półprzewodnikach. Im większa przerwa energetyczna tym wcześniej prąd zaczyna rosnąć (czyli E_Ge=0,7 eV > E_Si =1,1 eV).

---