LOGISTYKA I ROK	Beata Kozłowska grupa L3		05.03.2009
	13.Badanie własności prostowniczych diod półprzewodnikowych	Ocena

1. Wprowadzenie

1. Półprzewodniki - przeważnie substancje krystaliczne. Wyróżniamy dwa rodzaje półprzewodników:

a) samoistne - półprzewodniki, których materiał jest idealnie czysty, bez żadnych zanieczyszczeń struktury krystalicznej

b) domieszkowe - polega ją na tym, że do ich struktury kryształu wprowadza się dodatkowe atomy pierwiastka, które nie wchodzą w skład półprzewodnika samoistnego.

2. Wśród półprzewodników wyróżniamy półprzewodniki:

1. typu „n” - powstaje poprzez wprowadzenie domieszki produkującej nadmiar elektronów (tzw. domieszka donorowa). Otrzymujemy je jeżeli kryształy np. gr. IV (Si, Ge) domieszkamy pierwiastkami gr. V (As, Sb, P). Poziomy energetyczne atomów domieszkowych umiejscawiają się w paśmie energii wzbronionej, tuż poniżej dna pasma przewodnictwa. Atomy domieszek posiadają w stosunku do atomów kryształu o jeden elektron walencyjny więcej i w temp. pokojowych łatwo stają się elektronami przewodnictwa.

2. Typu „p” - powstaje poprzez wprowadzenie domieszki produkującej niedobór elektronów (tzw. domieszka akceptorowa). Otrzymujemy je jeżeli czysty krzem domieszkamy pierwiastkami gr. III (Al., In, Ga). Poziomy energetyczne atomów domieszkowych nie są obsadzone przez elektrony tych atomów i mogą być zajmowane przez elektrony z pasma walencyjnego kryształu. Przejście elektronu z pasma walencyjnego na poziom domieszki towarzyszy wytworzenie się dziury w paśmie walencyjnym.

3. Złącza p-n (tzw. przejścia elektronowo - dziurowe) - granica zetknięcia się dwóch półprzewodników, z których jeden odznacza się przewodnictwem elektronowym, drugi zaś przewodnictwem dziurowym.

4. W równowadze termicznej elektrony przewodnictwa przechodzące z donorów znajdują się głównie w obszarze typu n, gdzie zobojętniają one dodatni ładunek przestrzenny zjonizowanych donorów, podczas gdy dziury pochodzące z akceptorów znajdują się głównie w obszarze typu p. Nie da się ich jednak całkowicie oddzielić, o ile nie istnieje w obszarze złącza pole elektryczne. Jeżeli przyjmiemy, że pierwotnie nie ma pola elektrycznego na złączu, to zachodzić będzie proces dyfuzji „dziur” do części n, które pozostawiają w części p ujemnie naładowane jony akceptorowe, podczas gdy elektrony będą dyfundować do części p, pozostawiając w części n dodatnio naładowane jony donorowe. Pierwotna dyfuzja spowoduje powstanie podwójnej warstwy elektrostatycznej na złączu. Z warstwą tą związane jest pole elektryczne E skierowane z części n do p, a więc przeciwdziałające dalszej dyfuzji nośników przez złącze.

5. Jeżeli do złącza przyłożymy zewnętrzne pole elektryczne, którego kierunek jest zgodny z kierunkiem pola wewnętrznego E. Pole zewnętrzne będzie wówczas wzmacniać pole zewnętrzne i pociągnie za sobą wzrost grubości podwójnej warstwy elektrostatycznej d, która odznacza się zwiększonym oporem. Kierunek prądu, przy którym warstwa podwójna, tzw. warstwa zaporowa, ulega pogrubieniu i nosi nazwę kierunku zaporowego. W kierunku zaporowym warstwa ma duży opór i płynie przez nią prąd o małym natężeniu.

6. Zmieniając biegunowość przyłożonego napięcia, kierunek zewnętrznego pola elektrycznego będzie przeciwny względem kierunku pola wewnętrznego. W obszarze warstwy zaporowej wzrośnie liczba swobodnych elektronów i dziur, a jej grubość d ulegnie zmniejszeniu. Taki kierunek pola zewnętrznego nazywamy kierunkiem przewodzenia. Przez złącze spolaryzowane w kierunku przewodzenia może płynąć prąd o dużym natężeniu.

7. Styk dwóch półprzewodników o różnych znakach nośników prądu posiada własności prostowania prądu zmiennego, stąd nazwa dioda półprzewodnikowa.

8. Charakterystykę prądowo-napięciową złącza p-n opisuje równanie Shockley'a oraz wykres (Rys. 4.)

I=I₀(exp
-1),

Dla dużych wartości +U_p:

I≡I₀exp

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 (1-2)

2. Tabela pomiarów

Załącznik wykonany ręcznie

3. Przebieg ćwiczenia

Zestawiliśmy obwód elektryczny zgodnie ze schematem:

W ćwiczeniu zmienialiśmy napięcie zasilania i odnotowywaliśmy z mierników odpowiednie wartości napięć i natężeń prądu dla 6 diod w zakresach:

• Dla I diody 0,000 - 0,200 [mV] co 0,050 [mV] i 0,200 - 0,280 co 0,020 [mV]

• Dla pozostałych 5 diod 0,0 - 3,7 [mV] co 0,1 [mV]

Wyniki zapisaliśmy w tabeli. Nasze pomiary dotyczyły kierunku przewodzenia.

4. Obliczenia i niepewności pomiarów

Niepewności pomiarowe obliczamy wg wzoru:

Δ U = U * 0,05 Δ I = I * 0,05

Niepewności standardowe obliczamy ze wzoru:

U[X]=

Przykładowe obliczenia (reszta wyników w tabeli):

U(U)=
dla U=0,050 [mV]

U(I)=
dla I=0,01 [mA]

Dioda I
U [mV]	ΔU [mV]	U(U) [mV]	I [mA]	Δ I [mA]	U(I) [mA]
0,00	0,000	0,0000	0,00	0,000	0,0000
0,05	0,003	0,0014	0,01	0,001	0,0058
0,10	0,005	0,0029	0,02	0,001	0,0115
0,15	0,008	0,0043	0,43	0,022	0,2483
0,20	0,010	0,0058	3,25	0,163	1,8764
0,22	0,011	0,0064	7,22	0,361	4,1685
0,24	0,012	0,0069	15,05	0,753	8,6891
0,26	0,013	0,0075	30,54	1,527	17,6323
0,28	0,014	0,0081	57,10	2,855	32,9667

Dioda IR
U [mV]	ΔU [mV]	U(U) [mV]	I [mA]	Δ I [mA]	U(I) [mA]
0,0	0,000	0,0000	0,00	0,000	0,0000
0,8	0,040	0,0231	0,01	0,001	0,0003
0,9	0,045	0,0260	0,00	0,000	0,0000
1,0	0,050	0,0289	0,23	0,012	0,0066
1,1	0,055	0,0318	2,75	0,138	0,0794
1,2	0,060	0,0346	20,90	1,045	0,6033
1,3	0,065	0,0375	42,32	2,116	1,2217
1,4	0,070	0,0404	80,55	4,028	2,3253

Dioda CZ
U [mV]	ΔU [mV]	U(U) [mV]	I [mA]	Δ I [mA]	U(I) [mA]
0,0	0,000	0,0000	0,00	0,000	0,0000
0,8	0,040	0,0231	0,02	0,001	0,0006
0,9	0,045	0,0260	0,02	0,001	0,0006
1,0	0,050	0,0289	0,02	0,001	0,0006
1,1	0,055	0,0318	0,02	0,001	0,0006
1,2	0,060	0,0346	0,02	0,001	0,0006
1,3	0,065	0,0375	0,01	0,001	0,0003
1,4	0,070	0,0404	0,02	0,001	0,0006
1,5	0,075	0,0433	0,01	0,001	0,0003
1,6	0,080	0,0462	0,33	0,017	0,0095
1,7	0,085	0,0491	1,93	0,097	0,0557
1,8	0,090	0,0520	6,82	0,341	0,1969
1,9	0,095	0,0548	14,85	0,743	0,4287
2,0	0,100	0,0577	22,90	1,145	0,6611
2,1	0,105	0,0606	33,52	1,676	0,9676
2,2	0,110	0,0635	43,70	2,185	1,2615
2,3	0,115	0,0664	53,48	2,674	1,5438
2,4	0,120	0,0693	63,20	3,160	1,8244
2,5	0,125	0,0722	79,27	3,964	2,2883

Dioda Z
U [mV]	ΔU [mV]	U(U) [mV]	I [mA]	Δ I [mA]	U(I) [mA]
0,0	0,000	0,0000	0,00	0,000	0,0000
0,8	0,040	0,0231	0,02	0,001	0,0006
0,9	0,045	0,0260	0,01	0,001	0,0003
1,0	0,050	0,0289	0,02	0,001	0,0006
1,1	0,055	0,0318	0,02	0,001	0,0006
1,2	0,060	0,0346	0,02	0,001	0,0006
1,3	0,065	0,0375	0,01	0,001	0,0003
1,4	0,070	0,0404	0,02	0,001	0,0006
1,5	0,075	0,0433	0,02	0,001	0,0006
1,6	0,080	0,0462	0,01	0,001	0,0003
1,7	0,085	0,0491	0,01	0,001	0,0003
1,8	0,090	0,0520	0,34	0,017	0,0098
1,9	0,095	0,0548	3,00	0,150	0,0866
2,0	0,100	0,0577	6,12	0,306	0,1767
2,1	0,105	0,0606	14,36	0,718	0,4145
2,2	0,110	0,0635	21,62	1,081	0,6241
2,3	0,115	0,0664	28,34	1,417	0,8181
2,4	0,120	0,0693	36,16	1,808	1,0438
2,5	0,125	0,0722	40,37	2,019	1,1654
2,6	0,130	0,0751	52,52	2,626	1,5161
2,7	0,135	0,0779	60,15	3,008	1,7364
2,8	0,140	0,0808	67,22	3,361	1,9405
2,9	0,145	0,0837	74,15	3,708	2,1405
3,0	0,150	0,0866	80,22	4,011	2,3158

Dioda N
U [mV]	ΔU [mV]	U(U) [mV]	I [mA]	Δ I [mA]	U(I) [mA]
0,0	0,000	0,0000	0,00	0,000	0,0000
0,8	0,040	0,0231	0,02	0,001	0,0006
0,9	0,045	0,0260	0,02	0,001	0,0006
1,0	0,050	0,0289	0,02	0,001	0,0006
1,1	0,055	0,0318	0,02	0,001	0,0006
1,2	0,060	0,0346	0,01	0,001	0,0003
1,3	0,065	0,0375	0,02	0,001	0,0006
1,4	0,070	0,0404	0,02	0,001	0,0006
1,5	0,075	0,0433	0,02	0,001	0,0006
1,6	0,080	0,0462	0,02	0,001	0,0006
1,7	0,085	0,0491	0,01	0,001	0,0003
1,8	0,090	0,0520	0,02	0,001	0,0006
1,9	0,095	0,0548	0,02	0,001	0,0006
2,0	0,100	0,0577	0,01	0,001	0,0003
2,1	0,105	0,0606	0,02	0,001	0,0006
2,2	0,110	0,0635	0,00	0,000	0,0000
2,3	0,115	0,0664	0,02	0,001	0,0006
2,4	0,120	0,0693	0,03	0,002	0,0009
2,5	0,125	0,0722	0,33	0,017	0,0095
2,6	0,130	0,0751	0,82	0,041	0,0237
2,7	0,135	0,0779	2,63	0,132	0,0759
2,8	0,140	0,0808	5,85	0,293	0,1689
2,9	0,145	0,0837	11,31	0,566	0,3265
3,0	0,150	0,0866	16,21	0,811	0,4679
3,1	0,155	0,0895	24,08	1,204	0,6951
3,2	0,160	0,0924	32,92	1,646	0,9503
3,3	0,165	0,0953	42,85	2,143	1,2370
3,4	0,170	0,0981	56,10	2,805	1,6195
3,5	0,175	0,1010	79,63	3,982	2,2987

Dioda F
U [mV]	ΔU [mV]	U(U) [mV]	I [mA]	Δ I [mA]	U(I) [mA]
0,0	0,000	0,0000	0,00	0,000	0,0000
0,8	0,040	0,0231	5,25	0,263	0,1516
0,9	0,045	0,0260	6,76	0,338	0,1951
1,0	0,050	0,0289	8,40	0,420	0,2425
1,1	0,055	0,0318	10,10	0,505	0,2916
1,2	0,060	0,0346	12,10	0,605	0,3493
1,3	0,065	0,0375	14,04	0,702	0,4053
1,4	0,070	0,0404	16,01	0,801	0,4622
1,5	0,075	0,0433	18,26	0,913	0,5271
1,6	0,080	0,0462	20,55	1,028	0,5932
1,7	0,085	0,0491	22,60	1,130	0,6524
1,8	0,090	0,0520	23,05	1,153	0,6654
1,9	0,095	0,0548	27,45	1,373	0,7924
2,0	0,100	0,0577	29,36	1,468	0,8476
2,1	0,105	0,0606	32,24	1,612	0,9307
2,2	0,110	0,0635	34,02	1,701	0,9821
2,3	0,115	0,0664	37,01	1,851	1,0684
2,4	0,120	0,0693	37,70	1,885	1,0883
2,5	0,125	0,0722	39,05	1,953	1,1273
2,6	0,130	0,0751	41,73	2,087	1,2046
2,7	0,135	0,0779	43,84	2,192	1,2656
2,8	0,140	0,0808	46,22	2,311	1,3343
2,9	0,145	0,0837	47,70	2,385	1,3770
3,0	0,150	0,0866	54,45	2,723	1,5718
3,1	0,155	0,0895	58,00	2,900	1,6743
3,2	0,160	0,0924	60,49	3,025	1,7462
3,3	0,165	0,0953	64,02	3,201	1,8481
3,4	0,170	0,0981	66,46	3,323	1,9185
3,5	0,175	0,1010	71,89	3,595	2,0753
3,6	0,180	0,1039	74,53	3,727	2,1515
3,7	0,185	0,1068	78,23	3,912	2,2583

5. Wykresy

Szacowana wartość napięcia progowego U_b dla diod w kierunku przewodzenia:

∆dU_b - niepewność skalowania

U_b[D1]=0,075 [mV] ∆dU_b=0,05*U_b =0,00375 [mV]

U_b[IR]=1,0 [mV] ∆dU_b=0,05*U_b =0,05 [mV]

U_b[CZ]=1,0 [mV] ∆dU_b=0,05*U_b =0,05 [mV]

U_b[Z]=1,15 [mV] ∆dU_b=0,05*U_b =0,0575 [mV]

U_b[N]=1,4 [mV] ∆dU_b=0,05*U_b =0,07 [mV]

U_b[F]=0,61 [mV] ∆dU_b=0,05*U_b =0,0305 [mV]

6. Wnioski

W tym ćwiczeniu poznawaliśmy własności prostownicze diod półprzewodnikowych w kierunku przewodzenia, a także wyznaczeniu ich charakterystyk prądowo-napięciowych. Analizowaliśmy 6 diod w kierunku przewodzenia. Następnie wyznaczyliśmy napięcia progowe diod. Podsumowując dioda 1 ma najmniejsze napięcie progowe, z czego wynika, że najlepiej przewodzi prąd w kierunku przewodzenia. Natomiast największy opór w kierunku przewodzenia stawia dioda N.

Niestety nasze wartości progowe są nieco zaniżone, co wg nas jest spowodowane zbyt dużą ilością pomiarów dla małych napięć. Naszym błędem było rozpoczęcie pomiarów od tak niskich napięć i zwiększanie napięcia tylko o 0,1 [mV], ponieważ powstało nam przy tym dużo wyników, które miały podobne wartości natężenia, a te nie były wystarczające, aby diody zaświeciły.

1

zestaw diod

Zasilacz

z zabezpieczeniem prądowym

---