BADANIE W£ASNOŒCI DIOD PÓ£PRZEWODNIKOWYCH .

1. WSTÊP TEORETYCZNY:

Celem æwiczenia jest zapoznanie siê z mechanizmem przep³ywu pr¹du w pó³przewodnikach , pomiar charakterystyk pr¹dowo - napiêciowych pó³przewodnikowych diod prostowniczych i diod Zenera .

Cia³a sta³e ze wzglêdu na ich w³asnoœci elektryczne mo¿na podzieliæ na trzy grupy: przewodniki , pó³przewodniki i dielektryki (izolatory) .Do pó³przewodników nale¿¹ cia³a , których konduktywnoœæ jest mniejsza od konduktywnoœci dobrych przewodników , ale znacznie wiêksza od konduktywnosci dielektryków . Do pó³przewodników zaliczamy 12 pierwiastków : bor , wêgiel , krzem , fosfor , siarka , german , arsen , selen , cyna , antymon , tellur , jod .Pó³przewodnikami mog¹ byæ tak¿e zwi¹zki podwójne ,materia³y organiczne ( antracen , szeœciobenzobenzen ) .Istotnym czynnikiem , który odró¿nia pó³przewodniki od pozosta³ych grup cia³ sta³ych jest ich struktura elektronowa , z której wynikaj¹ elektryczne , optyczne i inne w³asnoœci pó³przewodników .W przewodnikach elektrony walencyjne tylko czêœciowo wype³niaj¹ pasmo albo najwy¿sze ca³kowicie obsadzone pzez elektrony walencyjne pasmo nachodzi na wy¿ej po³o¿one pasmo puste . W dielektrykach elektrony walencyjne ca³kowicie wype³niaj¹ pasmo zwane pasmem walencyjnym lub podstawowym. W pó³przewodniku czêœæ elektronów pasma walencyjnego mo¿e przejœæ do pustego pasma przewodnictwa i staæ siê elektronami zdolnymi do przewodzenia pr¹du. Aby jednak to nast¹pi³o, nale¿y elektronom walencyjnym dostarczyæ energii równej szerokoœci pasma wzbronionego. Energi¹ potrzebn¹ do wzbudzenia noœników pr¹du, zwan¹ te¿ czêsto energi¹ aktywacji, mo¿e byæ np. energia fotonu padaj¹cego œwiat³a .Dziêki ma³ej szerokoœci pasma wzbronionego w pó³przewodniku , ju¿ w temperaturze pokojowej czêœæ elektronów walencyjnych jest przeniesiona do pasma przewodnictwa i umo¿liwia przep³yw pr¹du , gdy tymczasem w dielektryku pasmo przewodnictwa w tej temperaturze jest ca³kowicie puste.Liczba elektronów w pasmie przewodnictwa , przypadaj¹ca na jednostkê objêtoœci cia³a , powiêksza siê z temperatur¹ cia³a T zgodnie ze wzorem :

,

w którym k = 1.38*10 ^ -23 JK - sta³a Boltzmanna

C - sta³a zale¿na od rodzaju pó³przewodnika .

Zale¿noœc koncentracji noœników od temperatury jest specyficzn¹ w³aœciwosci¹ pó³przewodników .Rozró¿niamy wœród pó³przewodników nadmiarowe pó³przewodniki lub typu n.

W pó³przewodniku typu n mo¿liwe jest pewne przewodnictwo dziurowe w pasmie podstawowym , w wyniku przejœæ pewnej liczby elektronów z pasma podstawowego do pasma przewodnictwa , jak jest to w pó³przewodniku samoistnym . W dowolnym typie pó³przewodnika w wyniku dzia³ania si³y przy³o¿onego pola elektrycznego , zwiêkszaj¹cej prêdkoœæ noœników pr¹du , oraz hamuj¹cego dzia³ania zjawiska rozpraszania noœników na drganiach cieplnych sieci i zjonizowanych atomach domieszek , ustala siê pewna œrednia wartoœæ prêdkoœci noœników w kierunku pola . Gêstoœæ pr¹du w pó³przewodnikach wyra¿ona jest wzorem :

,

gdzie j = gêstoœc pr¹du , e = ³adunek elektronu ( ³adunek elementarny ) , vn ,vp - prêdkoœæ unoszenia elektronów i dziur .

Ciekawe w³asnoœci , szczególnie z punktu widzenia zastosowañ technicznych , wykazuj¹ uk³ady z³o¿one z dwóch obszarów o ró¿nym typie przewodnictwa w obrêbie tego samego pó³przewodnika , zwane z³¹czami p-n . Z³acza p-n otrzymuje siê przez odpowiednie rozmieszczenie domieszek akceptorowych i donorowych w ó³przewodniku . W strefie przejœciowej miêdzy obszarami ró¿nego typu przewodnictwa zachodzi mniej lub bardziej skokowa zmiana rodzaju domieszek i ich koncentracji . Na skutek gradientów koncentracji elektronów i dziur nastêpuje dyfuzja noœników wiêkszoœciowych : elektronów z obszaru n do obszaru p i dziur z obszaru p do obszaru p . Przy³o¿enie do z³¹cza p-n zewnêtrznego napiêcia zak³óca równowagê . Je¿eli napiecie zewnêtrzne U jest zgodne z biegunowoœci¹ bariery potencja³u Ud i j¹ powiêksza , to pr¹d noœników wiêkszoœciowych spada praktycznie do zera . Przypadek ten odpowiada kierunkowi zaporowemu . Je¿eli natomiast do obszaru p przy³o¿ymy potencja³ dodatni , a do obszaru n potencja³ ujemny , to bariera potencja³u ulega obni¿eniu i pr¹d wzrasta . Odpowiada to kierunkowi przepustowemu .

Nazwa diody warstwowej stopowej pochodzi od technologii wykonania z³¹cza p-n .W kierunku przepustowym p³ynie du¿y pr¹d , a wartoœc natê¿enia tego pr¹du jest ograniczona granic¹ , powy¿ej której mo¿e nast¹piæ zniszczenie diody . W kierunku zaporowym p³ynie pr¹d o mniejszym natê¿eniu . Pr¹d ten ju¿ przy ma³ych napiêciach zaporowych osi¹ga stan nasycenia . Dopiero od pewnej wartoœci napiêcia zaporowego Uzg ,zwanego napiêciem granicznym lub napiêcie Zenera , pr¹d gwa³townie wzrasta .Jest to zwi¹zane ze zwiêkszeniem koncentracji noœników pr¹du , spowodowanym przejœciem elektronów pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa pod wp³ywem silnego pola elektrycznego w warstwie zaporowej (efekt Zenera) albo jonizacj¹ zderzeniow¹ w silnym polu , albo wreszcie przegrzaniem prostownika . Diody Zenera s¹ nazwane diodami stabilizacyjnymi.Du¿a powierzchnia warstwy zaporowej umo¿liwia przep³yw przez ni¹ du¿ych pr¹dów oraz zwiêksza pojemnoœæ w³asn¹ diody .

2. OPIS DOŒWIADCZENIA :

Uk³ad do pomiaru charakterystyki pr¹dowo - napiêciowej diody , czyli zale¿noœci natê¿enia pr¹du p³yn¹cego przez diodê od przy³o¿onego na diodê napiêcia I = f ( U ) , przedstawia rysunek :

Uk³ad sk³ada siê z zasilacza pr¹du sta³ego , multimetru do pomiaru natê¿enia i napiêcia pr¹du w kierunku przepustowym i zaporowym oraz przystawek .

3.CHARAKTERYSTYKI PR¥DOWO - NAPIÊCIOWE DIOD :

Wykresy przedstawiaj¹ zale¿noœæ pomiêdzy napiêciem , a naprê¿eniem w diodach w kierunku zaporowym oraz przewodzenia :

4.B£¥D POMIARU I DYSKUSJA B£ÊDÓW :

Do okreœlenia b³êdów wykorzystujemy wzór oparty na podstawie klasy przyrz¹du pomiarowego : klasa*zakres / 100 .

Klasa miernika elektronicznego wynosi 0,5 % . B³¹d pomiaru zale¿y przede wszystkim od klasy miernika , ale g³ównie od zakresu i zmienia siê wraz ze zmian¹ granicy , do której mo¿na wykonaæ dany pomiar w okreœlonum przedziale .

Przyk³adowe obliczenie :

1. 0,5 %* 2 mA / 100 = 0,01 mA

2. 0,5 % * 200mA / 100 = 1 mA

3. 0,5 % * 200 A / 100 = 1 A

4. WNIOSKI :

Doœwiadczenie polega³o na wielokrotnym pomiarze napiêcia oraz natê¿enia .Sporz¹dzenie wykresów by³o doœæ ³atwe , ze wzglêdu na ogromn¹ iloœæ pomiarów . B³êdy w doœwiadczeniu s¹ prawie niewidoczne . Wykresy s¹ bardzo podobne do podawanych przez inne ¿ród³a . Niewielkie b³êdy wynikaj¹ z du¿ej dok³adnoœci mierników . Doœwiadczenie by³o przeprowadzone bardzo dok³adnie i du¿a iloœæ pomiarów pozwoli³a na bardzo dok³adne sporz¹dzenie wykresów . Jak widaæ z wykresów pr¹d p³yn¹cy w kierunku przewodzenia jest znacznie wiêkszy ni¿ pr¹d p³yn¹cy w kierunku zaporowym . Niewielkie skoki napiêcia powoduj¹ doœæ znaczny wzrost natê¿enia . Z wykresów mo¿na odczytaæ zakresy stabilizuj¹ce dzia³ania diod . W czasie pomiarów nie przekraczaliœmy maksymalnych wartoœci natê¿enia i napiêcia , dopuszczalnych dla poszczególnych diod na zaciskach zasilacza . Mo¿na zauwa¿yæ ,i¿ dopiero od pewnej wartoœci napiêcia zaporowego /zwanego napiêciem granicznym lub napieciem Zenera / pr¹d gwa³townie wzrasta .W niektórych diodach proces gwa³townego wzrostu pr¹du prowadzi do zniszczenia diody , natomiast w diodach Zenera wzrost pr¹du nie prowadzi do zniszczenia diody i jest odwracalny , co znajduje zastosowanie jako stabilizator napiêcia .

---