Badanie charakterystyk diod półprzewodnikowych

Strona 1/9

Ćwiczenie: Badanie charakterystyk diod półprzewodnikowych

1.Wiadomości wstępne

Ciała stałe ze względu na ich przewodnictwo elektryczne dzielimy na izolatory, półprzewodniki i

przewodniki (metale). Rezystywność metalu w temperaturze pokojowej jest zawarta w przedziale od 10

-8

m

do 10

-4

m, przy dodatnim temperaturowym współczynniku rezystancji. Rezystywność półprzewodników

wynosi od 10

-4

m do 10

8

m, a współczynnik temperaturowy rezystancji jest ujemny. Rezystywność

izolatorów jest zawarta w granicach 10

8

m do 10

20

m, przy ujemnym współczynniku temperaturowym

rezystancji. Mechanizm przewodnictwa i powyższy podział ciał krystalicznych wyjaśnia pasmowa teoria ciała
stałego. Podstawowym materiałem stosowanym do budowy elementów elektronicznych są półprzewodniki.

l. 1. Półprzewodniki

Wyróżnia się dwa rodzaje półprzewodników:

- półprzewodniki samoistne,
- półprzewodniki domieszkowe.

Najczęściej stosowanymi w elektronice półprzewodnikami samoistnymi są kryształy krzemu i

germanu. W stanie niewzbudzonym są one izolatorami. Dostarczenie energii większej od przerwy
energetycznej W

G

(rys. 1.1.a) powoduje przejście (wzbudzenie) elektronu z zapełnionego pasma walencyjnego

do pasma przewodnictwa. Przejście to powoduje oddalenie elektronu od jego pierwotnego położenia w
krysztale, a tym samym powstaje miejsce z nadmiarem ładunku dodatniego, zwane dziurą. Miejsce to może
być zajęte przez elektron z sąsiedniego atomu. Dzięki kolejnym przenoszeniom elektronów dziura może się
poruszać w krysztale. Zatem wzbudzenie elektronu do pasma przewodnictwa powoduje powstanie dwóch
nośników prądu - elektronu i dziury. W półprzewodniku samoistnym liczba elektronów i dziur jest taka sama.
Szersze zastosowanie znalazły półprzewodniki domieszkowe. Powstają one w wyniku wprowadzenia do
kryształu germanu lub krzemu pierwiastków trójwartościowych (bor, glin) lub pięciowartościowych (antymon,
fosfor, arsen)

W pierwszym przypadku mamy do czynienia z półprzewodnikiem typu „p”. Zawiera on domieszki

akceptorowe powodujące powstanie nadmiaru dziur. Trójwartościowa domieszka wprowadza dodatkowy
poziom energetyczny W

A

leżący blisko pasma walencyjnego. Jest to poziom akceptorowy (rys. 1.1.b). W

drugim przypadku otrzymujemy półprzewodnik typu „n”, zawierający domieszki donorowe wytwarzające
nadmiar elektronów w krysztale. Energia dodatkowego elektronu W

D

ma wartość bliską energii elektronu w

paśmie przewodnictwa (rys.1.l.c). Poziom energetyczny takiego elektronu nosi nazwę poziomu donorowego.

1.2. Złącze "p-n"

Złącze "p-n" w półprzewodniku jest to warstwa przejściowa między obszarem przewodnictwa

akceptorowego, a obszarem przewodnictwa donorowego. Domieszka akceptorowa sprawia, że koncentracja
dziur w obszarze "p" jest większa od koncentracji elektronów. Natomiast domieszka donorowa w obszarze "n"
prowadzi do przewagi elektronów nad dziurami.

W warunkach ustalonej temperatury i braku napięć zewnętrznych złącze znajduje się w stanie

równowagi. W tej sytuacji występuje tendencja do przenikania dziur z obszaru "p" do obszaru "n" oraz
elektronów z obszaru "n" do obszaru "p". Po pewnym czasie przepływ zanika ze względu na istnienie bariery
potencjału w pobliżu złącza. W otoczeniu złącza powstaje wtedy obszar izolacyjny ograniczający przepływ
nośników prądu. Przepływ nośników wymaga pokonania bariery potencjalnej V

o

, (rys. l.2a) - 0,2 V w

germanie i 0,7 V w krzemie.

Przyłożenie do materiału typu "p" potencjału dodatniego, a do materiału typu "n" potencjału ujemnego

powoduje obniżenie wysokości bariery potencjalnej o przyłożony potencjał V rys.(l.2.b). Powoduje to
zmniejszenie rezystancji złącza i pozwala na wzrost natężenia przepływającego przez złącze prądu. Złącze
"p-n" jest wtedy w stanie przewodzenia.

Przy odwrotnej polaryzacji złącza "p-n" (w kierunku zaporowym) bariera potencjalna zwiększa się o

wartość przyłożonego potencjału V (rys.l.2.c). Wzrasta wtedy rezystancja złącza. Przepływ nośników prądu
jest utrudniony. Prąd przepływający przez złącze jest znikomo mały. Złącze "p-n" jest w stanie zablokowania.

1.3. Charakterystyka prądowo-napięciowa złącza "p-n"

W charakterystyce pradowo-napięciowej złącza "p-n" można wyróżnić cztery zakresy (rys.1.3):

Badanie charakterystyk diod półprzewodnikowych

Strona 2/9

- zakres przewodzenia (I),
- zakres napięć bliskich zeru (lI),
- zakres zablokowania (III),
- zakres przebicia (IV).
W I zakresie prąd przewodzenia

I

p

rośnie bardzo szybko. Wzrost prądu ma charakter prawie liniowy. Styczna

do tej części charakterystyki przecina oś napięcia przewodzenia Up w punkcie Uo zwanym napięciem
progowym (0,2V dla złącz germanowych i 0,7V dla złącz krzemowych).
W II zakresie przebieg prądu ma charakter nieliniowy.
W III zakresie prąd wsteczny

I

w

ma niewielką wartość, a przebieg ma charakter liniowy.

W IV zakresie prąd wsteczny

I

w

gwałtownie rośnie. Gwałtowny wzrost prądu spowodowany jest jedna z dwu

przyczyn: - jonizacją Zenera lub jonizacją lawinową. Zjawiska te spowodowane są powstaniem w obrębie
złącza silnego pola elektrycznego wywołanego przyłożonym napięciem wstecznym.

Jonizacja (zjawisko) Zenera występuje w złączach wąskich, gdzie niewielkie napięcie polaryzacji w

kierunku zaporowym powoduje powstanie pola elektrycznego o dużym natężeniu. Pozwala to na rozrywanie
wiązań kowalentnych i wzrost liczby swobodnych elektronów - nośników prądu elektrycznego, a tym samym
wzrost wartości prądu wstecznego.

Jonizacja lawinowa występuje w złączach szerszych przy znacznie wyższych napięciach, niż ma to

miejsce w przypadku zjawiska Zenera. Przyłożone napięcie wytwarza pole elektryczne nadające elektronom
dużą prędkość. Energia kinetyczna uzyskana przez elektrony pozwala na wybicie innych elektronów z atomów
złącza. Te elektrony uzyskują również dużą energię wybijając następne elektrony, itd. Przy braku ograniczenia
prądu, zjawisko to prowadzi do przebicia złącza powodującego jego zniszczenie.

1.4. Podział diod półprzewodnikowych

Półprzewodnik ze złączem "p-n" mający wyprowadzenia służące do włączania go do obwodu

elektrycznego tworzy element półprzewodnikowy zwany diodą półprzewodnikową.

Ze względu na właściwości i zastosowanie rozróżnia się diody półprzewodnikowe: prostownicze,

stabilizujące, impulsowe (przełączające), pojemnościowe, mikrofalowe, elektroluminescencyjne itp. Ze
względu na przebiegające w diodach półprzewodnikowych zjawiska rozróżnia się diody: Zenera, Gunna,
Schottky'ego, lawinowe, tunelowe, fotoczułe itp.

l .5 Dioda prostownicza

Zadaniem diody prostowniczej jest przetwarzanie prądu przemiennego na prąd jednokierunkowy. Ze

względu na konstrukcję rozróżnia się diody prostownicze ostrzowe, prostujące za pomocą styku metal-
półprzewodnik oraz diody prostownicze warstwowe, w których prostowanie odbywa się za pomocą złącza "p-
n". Powszechne zastosowanie znalazły półprzewodnikowe diody prostownicze warstwowe. Wykorzystuje się
tu właściwości złącza "p-n", Symbol graficzny i charakterystykę prądowo-napięciową diody prostowniczej
przedstawiono na rys. l .4.

Charakterystyka diody prostowniczej jest niesymetryczna, dzięki temu prąd elektryczny

przepuszczany jest tylko w jednym kierunku, natomiast w kierunku przeciwnym w stopniu bardzo małym.
Diody prostownicze mają małą rezystancję w kierunku przewodzenia, co umożliwia uzyskanie sprawności
prostowania rzędu 99% i małego spadku napięcia na diodzie. Przy przepływie prądu obciążenia wynosi on na
diodzie krzemowej 0,6-0,8V, a na diodzie germanowej 0,2-0,4V. Diody prostownicze pracują w ściśle
określonym zakresie temperatur i są wrażliwe na przepięcia, zwłaszcza występujące w kierunku zaporowym.
Zakres temperatur pracy, obciążalność prądowa i dopuszczalne napięcia pracy zależą od rodzaju materiału
użytego do budowy diody.

1.6. Dioda Zenera

Dioda Zenera (stabilitron, stabilistor lub dioda stabilizacyjna) pracuje w układach ograniczania i

stabilizacji napięcia. Wykorzystywane jest tu zjawisko Zenera. Normalnym stanem pracy tej diody jest praca
przy zasilaniu w kierunku zaporowym. Symbol graficzny i charakterystykę pradowo-napięciową diody
stabilizacyjnej pokazano na rys.1.5. Stabilitrony są diodami krzemowymi. Napięcia stabilizacji powszechnie
stosowanych diod Zenera zawierają się granicach od 3V do 300V. Mogą one przewodzić prąd o wartości od
kilku miliamperów do kilku amperów.

1.7. Dioda tunelowa.

Symbol graficzny i charakterystykę prądowo-napięciową zobrazowano na rys.1.6. Dioda tunelowa

(dioda Esaki) zbudowana jest ze złącza "p-n" o małej grubości i bardzo dużej koncentracji domieszek po obu

Badanie charakterystyk diod półprzewodnikowych

Strona 3/9

jego stronach. Powoduje to, że złącze znajduje się w stanie jonizacji Zenera przy braku zewnętrznego napięcia
polaryzującego. Zjawisko to, zwane tunelowym, powoduje, że doprowadzenie do diody napięcia w kierunku
przewodzenia powoduje dużo szybsze niż w normalnej diodzie narastanie prądu przewodzenia

I

p

. Początkowe

narastanie prądu przewodzenia odbywa się aż do osiągnięcia "punktu szczytu" (

U

s

,

I

s

). Dalszy wzrost napięcia

polaryzacji powoduje osłabienie efektu Zenera, co objawia się spadkiem prądu przewodzenia. Po osiągnięciu
"punktu doliny" (

U

d

,

I

d

) charakterystyka prądowo-napięciowa pokrywa się z charakterystyką zwykłej diody. W

przedziale od "punktu szczytu" do punktu "doliny" dioda tunelowa charakteryzuje się ujemną rezystancją.
Diody tunelowe wykonywane są zwykle z germanu lub arsenku galu. Stosowane są one w układach
wzmacniaczy i generacji sygnałów dużej częstotliwości (> 300Hz), a także jako szybkie przełączniki
impulsowe. Cenną zaletą diody tunelowej jest stosunkowo niewielka wrażliwość na zmiany temperatury oraz
brak działania zaporowego przy napięciu wstecznym.

1.8. Dioda elektroluminescencyjna.

Dioda elektroluminescencyjna (LED) jest elementem elektronicznym z jedną warstwą zaporową "p-n",

który przy polaryzacji w kierunku przewodzenia emituje energię świetlną Promieniowanie emitowane przez
diodę jest wynikiem zjawiska promienistej rekombinacji elektronów i dziur w obrębie złącza "p-n". Barwa
emitowanego przez diodę elektroluminescencyjną światła zależy od rodzaju materiału, od domieszkowania i od
procesów technologicznych zastosowanych w produkcji. Charakterystyka prądowo-napięciowa (rys.1.7) diody
ma w kierunku przewodzenia gwałtowne zagięcie, powyżej którego przebieg jest bardzo stromy. Diody
elektroluminescencyjne znalazły zastosowania w elementach sygnalizacji i wyświetlaczy urządzeń
elektronicznych.

1.9. Fotodioda.

Fotodiodą nazywa się przyrząd półprzewodnikowy z pojedynczym złączem "p-n" spolaryzowanym

zaporowo, w którym pod wpływem oświetlenia zwiększa się liczba nośników prądu. Powoduje to wzrost
wartości prądu wstecznego. Charakterystykę prądowo-napięciową i symbol graficzny fotodiody przedstawiono
na rys.1.8.
Fotodioda charakteryzuje się dużym zakresem liniowości sygnału i dużą szybkością działania. Znajduje ona
zastosowanie w układach zliczających, w układach detekcji i w układach wymagających galwanicznej izolacji
między współpracującymi obwodami.

Rys.1.1. Poziomy energetyczne w półprzewodniku: a) samoistnym; b) domieszkowym typu
"p"; c) domieszkowym typu "n". WW - pasmo walencyjne; Wp - pasmo przewodzenia; WA - poziom akceptorowy;
WD - poziom honorowy; WG - przerwa energetyczna.

Rys.1.2. Złącze "p-n": a) niespolaryzowane; b) spolaryzowane w kierunku przewodzenia; c) spolaryzowane w
kierunku zaporowym. "n" - obszar złącza typu n; "p" - obszar złącza typu p; "+" - potencjał dodatni źródła

zasilania; "-" - potencjał ujemny źródła zasilania, Vo - bariera potencjalna złącza niespolaryzowanego,
V - potencjał źródła zasilania.

Badanie charakterystyk diod półprzewodnikowych

Strona 4/9

Rys.1.3. Charakterystyka prądowo-napięciowa złącza "p-n".

Rys. 1.4. a) symbol graficzny diody prostowniczej, A – anoda, K - katoda; b) charakterystyka prądowo-
napięciowa diody germanowej (Ge) i krzemowej (Si).

Badanie charakterystyk diod półprzewodnikowych

Strona 5/9

Badanie charakterystyk diod półprzewodnikowych

Strona 6/9

Rys 1.8. Symbol graficzny i charakterystyka fotodiody.

II. Pomiary laboratoryjne

1. Badanie diody prostowniczej.

1.1. Charakterystyka prądowo-napięciowa diody w kierunku zaporowym.

Połączyć układ pomiarowy z rys.1.
Zmieniając napięcie zasilania U od 0 V do 20 V odczytać na mikroamperomierzu wartość prądu wstecznego I.
Wyniki pomiarów umieścić w tabeli 1.
Tabela 1. Charakterystyka prądowo-napięciowa diody prostowniczej w kierunku zaporowym.

L.p.

1

2

...

10

U [V]
I [

A]

1.2. Charakterystyka prądowo-napięciowa diody prostowniczej w kierunku przewodzenia.
Połączyć układ pomiarowy z rys.2.
Układ zasilić napięciem U

1

= 5 V.

Zmieniając rezystorem R prąd w zakresie 0-500 mA odczytać napięcie na diodzie U

2

(na woltomierzu

cyfrowym).
Wyniki pomiarów wpisać do tabeli 2.
Tabela 2. Charakterystyka prądowo-napięciowa diody prostowniczej w kierunku przewodzenia.

L.p.

1

2

...

10

U

2

[V]

I [mA]

1.3. Opracowanie wyników pomiarów.
Na podstawie pomiarów z pkt. 1.1 i 1.2 wykonać na wspólnym wykresie pełną charakterystykę prądowo-
napięciową I=f(U) badanej diody przyjmując, że:
- wartości prądu i napięcia dla pkt. 1.1 (kierunek zaporowy) są ujemne,
- wartości prądu i napięcia (I, U

2

) dla pkt. 1.2 (kierunek przewodzenia) są dodatnie

Badanie charakterystyk diod półprzewodnikowych

Strona 7/9

2. Badanie diody Zenera.
2.1. Charakterystyka prądowo-napięciowa diody Zenera w kierunku przewodzenia.
Połączyć układ z rys. 3.
Układ zasilić napięciem U

1

= 5 V.

Zmieniając rezystorem R prąd w zakresie 50-300 mA odczytać napięcie na diodzie U

2

(na woltomierzu

cyfrowym).
Wyniki pomiarów wpisać do tabeli 3.
Tabela 3. Charakterystyka prądowo-napięciowa diody Zenera w kierunku przewodzenia.

L.p.

1

2

...

10

U

2

[V]

I [mA]

2.2. Charakterystyka prądowo-napięciowa diody Zenera w kierunku zaporowym.
Połączyć układ pomiarowy z rys. 4.
Dla stałej rezystancji rezystora nastawnego R wynoszącej ok. 150

 zmieniać napięcie zasilania U

1

od 0 V do

15 V (co 2 V) i odczytać prąd I i napięcie na diodzie U

2

(na woltomierzu cyfrowym).

Wyniki pomiarów umieścić w tabeli 4.
Tabela 4. Charakterystyka prądowo-napięciowa diody Zenera w kierunku zaporowym.

L.p.

1

2

...

9

U

2

[V]

I [mA]

2.3. Opracowanie wyników pomiarów.
N a podstawie pomiarów z pkt. 2.1 i 2.2 wykonać na wspólnym wykresie pełną charakterystykę prądowo-
napięciową I=f(U) badanej diody Zenera przyjmując, że:
- wartości prądu I i napięcia U

2

dla pkt. 2.1 (kierunek przewodzenia) są dodatnie,

Badanie charakterystyk diod półprzewodnikowych

Strona 8/9

- wartości prądu i napięcia (I, U

2

) dla pkt. 2.2 (kierunek zaporowy) są ujemne.

Badanie charakterystyk diod półprzewodnikowych

Strona 9/9

Protokół z pomiarów

Data: . . . . . . . . . . , podpis prowadzącego: . . . . . . . . . . . . . .

Temat: Badanie charakterystyk diod półprzewodnikowych

Wykonujący sprawozdanie: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Tabela 1. Charakterystyka prądowo-napięciowa diody prostowniczej w kierunku zaporowym.

L.p.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

U [V]

I [

A]

Tabela 2. Charakterystyka prądowo-napięciowa diody prostowniczej w kierunku przewodzenia.

L.p.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

U [V]

I [mA]

Tabela 3. Charakterystyka prądowo-napięciowa diody Zenera w kierunku przewodzenia.

L.p.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

U [V]

I [mA]

Tabela 4. Charakterystyka prądowo-napięciowa diody Zenera w kierunku zaporowym.

L.p.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

U [V]

I [mA]