ĆWICZENIE 19.
BADANIE CHARAKTERYSTYKI DIODY PÓŁPRZEWODNIKOWEJ
1.WSTĘP TEORETYCZNY :
W półprzewodnikach samoistnych nośnikami prądu są elektrony i dziury,przy czym koncentracje ich są jednakowe.Znacznie wygodniej byłoby mieć półprzewodnik tylko z jednym rodzajem nośników prądu:elektronami lub dziurami.Półprzewodniki,w których przepływ prądu wywołany jest głównie ruchem dziur,są nazywane półprzewodnikami typu p.Jeśli przepływ prądu jest związany z ruchem elektronów,to mówimy , że pół - przewodnik jest typu n.
Półprzewodnikiem samoistnym jest każdy materiał półprzewodnikowy o niezaburzonej strukturze krystalicznej.Wprowadzenie do niego odpowiednich obcych atomów,które nazywamy domieszką,wpływa w znacznym stopniu na jego właściwości elektryczne.Proces ten przeanalizuję na przykładzie struktury krystalicznej germanu . Jego atom ma cztery elektrony walencyjne.Używa się ich w sieci krystalicznej do wytwo -rzenia wiązań z czterema najbliższymi sąsiadami.
Jeśli w siatce zastąpimy jeden z atomów germanu atomem domieszki mającym pięć elektronów walencyjnych np.fosfor,to piąty elektron nie może utworzyć wiązania walencyjnego.Jest on słabo elekrostatycznie związany z jądrem domieszki.Aby go oderwać wystarczy na ogół niewielka energia (dla fosforu w Ge 0.012 eV).Stan ten nazywamy donorowym (donor-dawca).Energia elektronów znajdujących się w tym stanie jest ściśle określona,a więc w modelu pasmowym półprzewodnika opisana przez jaden poziom zwany donorowym.Jest on położony wewnątrz przerwy zabronionej pół-
przewodnika w pobliżu dna pasma przewodnictwa.Odległość energetyczna Ed w po-
równaniu z przerwą energetyczną półprzewodnika jest mała.Wystarczy niewielkie wzbudzenie cieplne,aby elektron opuścił poziom donorowy i znalazł się w paśmie prze-
wodnictwa.Wskutek tych przejść w półprzewodniku pojawia się nadmiarowa przewodność elektronowa zwana przewodnością typu n.Półprzewodnik po domieszko-
waniu go donorami staje się półprzewodnikiem typu n.Poziomy donorowe są zlokalizo-
wane.
Jeśli zaś do siatki germanu zostaje wprowadzony atom domieszkowy z trzema elektronami walencyjnymi to elektrony te utworzą wiązania z trzema sąsiednimi atomami sieci pierwotnej (germanu).Czwarte,potrzebne sieci wiąznie,pozostanie niewysycone.Utworzy się zlokalizowana dziura.Może być ona łatwo wypełniana przez elektron biorący udział w którymś z sąsiednich wiązań german-german.Po takim przyjęciu elektronu przez omawianą dziurę powstaje dziura w innym miejscu sieci.Jest to dziura o znacznej ruchliwości.Takie niobsadzone stany nazywamy stanami akceptorowymi (accept - przyjmować),a związane z nimi poziomy energetyczne - poziomami akceptorowymi.Półprzewodnik po domieszkowaniu go akceptorami staje się półprzewodnikiem typu p.
Dioda półprzewodnikowa powstaje przez zetknięcie dwóch półprzewodników o różnych rodzajach przewodności niesamoistnej.Granica zetknięcia półprzeweodnika typu n nosi nazwę złącza p-n.Uzyskać można w jednym krysztale,jeżeli wytworzyć w nim dzięki odpowiednim domieszkom obszary o przewodności p,n.Złącze p-n znajduje się w obudowie metalowej chroniącej go przed uszkodzeniami mechanicznymi i wpływami atmosferycznymi.
W obszarze złącza p-n elektrony przechodzą z półprzewodnika typu n do p , natomiast dziury w kierunku przeciwnym.Zjawisko to nazywamy dyfuzją niśników ładunku , a jego przyczyną jest różnica koncentracji nośników po obu stronach złącza.
W wyniku tego procesu w cienkim obszarze półprzewodnika typu n wystąpi nadmiar ładunku dodatniego.Natomiast w obszarze półprzewodnika typu p wystąpi nadmiar ładunku ujemnego.Tak więc warstwa podwójna wytwarza lokalne pole elektryczne Enp o kierunku od typu n do p przeciwdziałające dalszej dyfuzji nośników ładunku.
Natężenie prądu I płynącego przez złącza p-n pod wpływem przyłączonego z zewnątrz napięcie U wyraża się następującym wzorem:
I = Is { exp [ | e | (U/kT)] - 1 }
gdzie: Is - tzw.prąd nasycenia;
e - ładunek elementarny;
k - stała Boltzmanna.
W kierunku przewodzenia ( U > 0 ) prąd ( I > 0 ) wzrasta gwałtownie ze wzrostem napięcia , a w kierunku zaporowym ( U < 0 ) prąd ( tu I < 0 ) szybko osiąga wartość ekstremalną ( I = - Is) .
2. POMIARY :
-pomiar charakterystyki prądowo-napięciowej diody w kierunku zaporowym ;
Wykres charakterystyki prądowo-napięciowej diody w kierunku zaporowym przedstawia załącznik nr2.
-pomiar charakterystyki prądowo-napięciowej w kierunku przewodzenia ;
Wykres charakterystyki prądowo-napięciowej diody w kierunku przewodzenia przedstawia załącznik nr3.
OBLICZENIA:
Wyznaczanie rezystancji różniczkowych diody :
1) dla kierunku zaporowego :
Rr/v =ΔV3/ΔI3=30 [V] / 34•10-3 [A]=882•108 [Ω]
wg pomiarów :
Rr=30 [V] / 40.1•10-9 [A]=877•106 [Ω]
2) dla kierunku przewodzenia :
a) Rr/v=86•10-5 [V]=ΔV1/ΔI1=12•10-5 [V] / 206•10-3 [A] = 58•10-5 [Ω]
wg pomiarów :
Rr/v=86•10-5 [V]=12•10-5 [V] / 203•10-3 [A] = 59•10-5 [Ω]
b) Rr/v=79•10-5 [V]=ΔV1/ΔI1=1•10-4 [V] / 108•10-3 [A] = 92•10-5 [Ω]
wg pomiarów :
Rr/v=79•10-5 [V]=1•10-4 [V] / 120•10-3 [A] = 83•10-5 [Ω]
Wyznaczenie parametrów Is i β na podstawie pomiarów w kierunku przewodzenia:
Wykres zależności ln I=f(U).
4.WNIOSKI:
Celem ćwiczenia było zbadanie właściwości złącza p-n,wyznaczenie charakterystyki prądowo-napięciowej diodyzarówno dla kierunku przewodzenia jak i zaporowego oraz wyznaczenie współczynników Is i β charakteryzujących dane złącze
p-n.Ćwiczenie zostało zrealizowane w pełni.Ogólnie wyniki pomiarów i opracowane na ich podstawie wykresy i współczynniki są zgodne z oczekiwaniami.W kierunku przewodzenia prąd złącza jest rzędu kilkuset miliamperów,zaś w kierunku zaporowym
zgodnie z oczekiwaniami jest on mały rzędu kilkudziesięciu nanoamperów.Złącze zachowuje się więc prawidłowo.Wyznaczona na podstawie pomiarów charakterystyka prądowo-napięciowa jest kształtem zbliżona do teoretycznej.Nieduża rozbieżność wiąże się z doborem odpowiedniej skali zarówno dla kierunku zaporowego jak i kierunku przewodzenia.Przy pomiarach w kierunku zaporowym nie zbliżono się do wartości prądu Is złącza.W kierunku przewodzenia rezystancja dynamiczna diody wyznaczona na podstawie charakterystyki prądowo-napięciowej jest mała rzędu pojedynczych milionów.Jest ona większa dlatego zakresu napięć,gdzie charakterystyka jest bardziej płaska(mniejsze napięcia polaryzują ze diodą).Dla kierunku zaporowego rezystancja dynamiczna złącza jest duża rzędu kilkuset megaomów.Oznacza to,że złącze zachowuje się prawidłowo i nie zostało przebite.Wyznaczenie parametrów charakteryzujących złącze p-n na nastąpilo podstawie zależności lnI=f(U).Prąd Is jest rzędu około 17 [μA],a dokładnie 16,7[μA].
Pomiary zostały przeprowadzone z pewną dokładnością,która wiązała się z dokładnością odczytu wyników z przyrządów oraz określoną dokładnością przyrządów pomiarowych.Na dokładność przeprowadzonych pomiarów módł mieć również wpływ stopień doświadczenia przeprowadzającego pomiary,jego znajomość i umiejętność posługiwania się przyrządami.Nastąpiły również małe kłopoty natury mechanicznej związane z połączeniami kablowymi przyrządów,co również mogło mieć wpływ na odczyt wyników.