1

Ć

wiczenie 29

Zdejmowanie charakterystyki diody półprzewodnikowej

I. Zagadnienia do samodzielnego opracowania

1.

Rodzaje półprzewodników i ich własności.

2.

Model pasmowy półprzewodników.

3.

Przewodnictwo samoistne i domieszkowe półprzewodników.

4.

Działanie złącza p-n.

II. Wprowadzenie

Działanie zł

ą

cza p-n

Obszar

graniczny

rozdzielający

obszary

o

przewodnictwie

dziurawym

i elektronowym nazywamy złączem dziurowo-elektronowym lub złączem p-n.

Złącze p-n wytwarza się podczas hodowania kryształu poprzez wprowadzanie

domieszek, drogą dyfuzji termicznej lub poprzez wstrzykiwanie jonów domieszek do
sieci krystalicznej. Na granicy półprzewodników o różnym typie przewodnictwa mamy
do czynienia ze zjawiskiem dyfuzji nośników ładunku elektrycznego. Elektrony i dziury
dyfundują przez powierzchnię rozgraniczającą dążąc do wyrównania koncentracji.
Elektrony w półprzewodnika typu n dyfundują do półprzewodnika typu p, gdzie
koncentracja elektronów jest mniejsza. Powstają wówczas w monokrysztale o
przewodnictwie elektronowym, w pobliżu granicy różnych półprzewodników,
niezobojętnione jony donorowe. W monokrysztale typu p mamy niezobojętnione ujemne
jony domieszek akceptorowych. Dyfuzja dziur następuje w kierunku przeciwnym
i zwiększa niezobojętnione ładunki na granicy półprzewodników. Dodatnio naładowany
obszar półprzewodnika o przewodnictwie elektronowym posiada wyższy potencjał od
ujemnie naładowanego półprzewodnika typu p. W otoczeniu granicy półprzewodników
typu n i typu p powstaje kontaktowe pole elektryczne oraz różnica potencjałów
(rys. 1a i b)

p

n

l

E

jony akceptorowe jony donorowe

a)

∆

V

V

x

b)

Rys. 1. Schemat złącza p-n (a), potencjał elektryczny po zetknięciu dwóch półprzewodników

typu p i n (b)

Pole to ma taki kierunek, że przeciwdziała dyfuzji większościowych ładunków

przez złącze. W obszarze o przewodnictwie typu n oprócz elektronów pochodzących od
domieszek donorowych znajdują się również dziury stanowiące nośniki mniejszościowe.
Również w obszarze półprzewodnika typu p znajduje się pewna ilość mniejszościowych
elektronów swobodnych. Kontaktowe pole elektryczne umożliwia przepływ nośników
mniejszościowych do obszaru sąsiedniego. Przez złącze przepływają więc dwa prądy.
Pierwszy, związany z dyfuzją nośników większościowych, zwany jest prądem
dyfuzyjnym; drugi, związany z dryfem nośników mniejszościowych, nazywamy prądem

2

dryfu. W warunkach równowagi, przy braku zewnętrznego pola (

0

=

zew

E

), suma tych

prądów jest równa zero. Pole elektryczne przyłożone do złącza powoduje zakłócenie
równowagi. Jeśli doprowadzimy do złącza p-n napięcie zewnętrzne U, przy czym obszar
o przewodnictwie typu p łączymy z ujemnym biegunem napięcia, a obszar o
przewodnictwie typu n z jego biegunem dodatnim, wówczas pole pochodzące od
przyłożonego napięcia i pole kontaktowe mają takie same kierunki i zwroty. Następuje
wówczas poszerzenie strefy ładunku przestrzennego oraz zwiększenie skoku potencjału
na złączu p-n do wartości

U

V

+

∆

, co utrudnia przepływ większościowych nośników

przez złącze (rys. 2b). Jest to kierunek zaporowy płynięcia prądu. W tych warunkach
przez złącze przepływa jedynie słaby prąd, zwany prądem wstecznym, o natężeniu
zależnym od koncentracji nośników mniejszościowych.

p

n

+

R

p

n

a)

b)

x

V

∆

∆

V

x

∆

V

+

U

U

+

V U

∆

V

V

Rys. 2. Polaryzacja złącza: a) w kierunku przewodzenia, b) w kierunku zaporowym

Jeśli natomiast do obszaru o przewodnictwie typu p dołączymy biegun dodatni

ź

ródła napięcia, a do drugiego obszaru biegun ujemny, wówczas natężenia pola

zewnętrznego i kontaktowego mają przeciwne zwroty. Następuje wówczas zmniejszenie
obszaru ładunku przestrzennego oraz skoku potencjału do wartości

U

V

−

∆

, co sprzyja

przepływowi nośników większościowych przez złącze. Płynie wówczas prąd
przewodzenia. (rys. 2a).

Posługując się modelem pasmowym półprzewodnika można obliczyć natężenie

prądu całkowitego płynącego przez złącze p-n, do którego przyłożone jest zewnętrzne
napięcie U.
Obliczenia prowadzą do wzoru:















−

=

1

0

kT

qU

e

I

I

(8.25)

gdzie: I - prąd płynący przez złącze p-n diody,

0

I

- całkowity prąd mniejszościowy,

q - ładunek elektronu,

T - temperatura w skali Kelwina

III. Wykonanie

ć

wiczenia

1.

W celu wyznaczenia charakterystyki diody półprzewodnikowej zmontować obwód
według schematu pokazanego na rys. 3.

3

dzielnik

napięcia

V

V

µΑ

+

−

+

−

+

−

−

+

ki

erunek zaporowy

a)

dzielnik

napięcia

V

V

m

Α

+

−

+

−

+

−

−

+

przewodzenia

kierunek

b)

Rys. 3. Zdejmowanie charakterystyki diody półprzewodnikowej: a) w kierunku zaporowym,

b) w kierunku przewodzenia

2.

Po połączeniu diody w kierunku zaporowym dzielnikiem napięcia zmienić napięcie
od 0 do 9V w odstępach co 0,5V i odczytać odpowiednio natężenie prądu
elektrycznego wskazane przez mikroamperomierz. Po wykonaniu serii pomiarów dla
kierunku zaporowego włączyć diodę do obwodu w kierunku przewodzenia.
Zmieniając napięcie od 0 do 0,5V w odstępach co 0,1V odczytać odpowiednie
wartości natężenia prądu przewodzenia wskazywane przez miliamperomierz.

Tabela pomiarowa

U

[V]

Kierunek
zaporowy

I

[

µ

A]

U

[V]

Kierunek
przewodzenia

I

[mA]

3.

Sporządzić wykresy

)

(U

f

I

=

dla diody zarówno w kierunku zaporowym, jak

i przewodzenia.

4.

Ocenę błędu przeprowadzić metodą graficzną.

Literatura

B. Jaworski i inni, Kurs Fizyki t.1, PWN, Warszawa
M. Leśniak, Fizyka. Laboratorium, wydanie II, Oficyna Wydawnicza PRz, 2002
J. Massalski, M. Massalska, Fizyka dla in

ż

ynierów, t.1, WNT, Warszawa 1980

Ch.A. Wert, R.M. Thomson, Fizyka ciała stałego, PWN, Warszawa