Fizyka Ciała Stałego

Ć

wiczenie Nr 8

WPŁYW STRUKTURY FIZYCZNEJ ZŁĄCZA

PÓŁPRZEWODNIKOWEGO P-N NA NAPIĘCIE

PRZEBICIA PRZY POLARYZACJI ZAPOROWEJ

2

3

1.

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest określenie struktury wewnętrznej diod półprzewodnikowych na podstawie ich

parametrów elektrycznych.

UWAGA! Wiadomości dotyczące półprzewodników i ich wytwarzania zawarte są w DODATKU A

2.

Wprowadzenie - złącza półprzewodnikowe krzemowe

2.1. Półprzewodniki typu n.

Uzyskuje się je przez wprowadzenie domieszki typu donorowego, np. w przypadku półprzewodnika

krzemowego jako domieszki używa się fosforu będącego pierwiastkiem piątej grupy tablicy okresowej
(pięć elektronów walencyjnych). Atom fosforu zajmuje wówczas położenie w węźle sieci krystalicznej
krzemu zamiast atomu krzemu, jak to przedstawia Rys.1. Cztery elektrony walencyjne atomu fosforu są
powiązane z czterema sąsiadującymi atomami krzemu wiązaniami kowalencyjnymi, natomiast piąty
elektron nie jest zaabsorbowany wiązaniem i może być łatwo oderwany od atomu fosforu, co w modelu
pasmowym oznacza jego przejście do pasma przewodnictwa. W węźle sieci krystalicznej pozostaje
zjonizowany jednododatni atom fosforu. Koncentracja elektronów w paśmie przewodnictwa jest w
przybliżeniu równa koncentracji atomów domieszki. Z uwagi na większą koncentrację elektronów niż
dziur taki półprzewodnik nazywamy półprzewodnikiem typu n (negative).

Rys. 1. Atom domieszki donorowej fosforu w węźle sieci krystalicznej krzemu: a) model wiązań

kowalencyjnych, b) energetyczny model pasmowy półprzewodnika typu n.

2.2. Półprzewodniki typu p.

Jako domieszki do półprzewodnika krzemowego używa się boru będącego pierwiastkiem trzeciej

grupy układu okresowej (trzy elektrony walencyjne). Atom boru zajmuje położenie w węźle sieci
krystalicznej krzemu zamiast atomu krzemu (rys. 2).

Rys. 2. Atom domieszki akceptorowej boru w węźle sieci krystalicznej krzemu: a) model wiązań

kowalencyjnych, b) energetyczny model pasmowy półprzewodnika typu p.

Do stabilnego wiązania atomu boru z czterema sąsiadującymi atomami krzemu jest czwartego

elektronu, który może być łatwo uzupełniony po oderwaniu z sąsiedniego wiązania Si-Si, co oznacza

4

zabranie elektronu z pasma walencyjnego. W paśmie walencyjnym powstaje dziura, atom boru jonizuje
się jednoujemnie. Koncentracja dziur w paśmie walencyjnym jest w przybliżeniu równa koncentracji
atomów domieszki. Z uwagi na większą koncentrację dziur niż elektronów taki półprzewodnik nazywamy
półprzewodnikiem typu p (positive).

2.3. Złącze p-n.

Złącze p-n (dioda) jest utworzone przez dwie graniczące ze sobą warstwy typu p i typu n. Dla złącza

niespolaryzowanego napięciem zewnętrznym, sumarycznym prąd płynący przez złącze ma wartość równą
zeru, a ładunek przestrzenny ma wartość ustaloną. Strukturę złącza można podzielić na trzy obszary o
różnych właściwościach elektrofizycznych:

-

obszar typu p i typu n (obojętne elektrycznie),

-

obszar ładunku przestrzennego (warstwa zaporowa).

2.4. Polaryzacja złącza.

W zależności od polaryzacji napięcia zewnętrznego rozróżniamy dwie sytuacje:

-

polaryzacja w kierunku zaporowym, kiedy źródło zewnętrzne jest połączone biegunem dodatnim
z warstwą n, a ujemnym z warstwą p, wówczas bariera potencjału zwiększa się o wartość napięcia
zewnętrznego i wzrasta szerokość warstwy zaporowej, maleje prawdopodobieństwo przejścia
nośników większościowych;

-

polaryzacja w kierunku przewodzenia, kiedy źródło zewnętrzne połączone jest biegunem
dodatnim z warstwą p, a ujemnym z warstwą n, wówczas bariera potencjału maleje o wartość
napięcia zewnętrznego i maleje szerokość warstwy zaporowej, wzrasta prawdopodobieństwo
przejścia nośników większościowych.

2.5. Przebicie złącza p-n.

Jest to zjawisko gwałtownego wzrostu prądu przy polaryzacji złącza w kierunku zaporowym

napięciem większym niż napięcie przebicia. Wyróżnia się dwie przyczyny tego zjawiska: przebicie
Zenera oraz przebicie lawinowe.

2.5.1. Przebicie Zenera.
Przy polaryzacji złącza w kierunku zaporowym, wysokie natężenie pola w cienkiej warstwie

zaporowej może wyrwać elektron z wiązania kowalencyjnego atomów sieci krystalicznej (zjawisko
Zenera). Powstaje para nośników elektron-dziura. Akt jonizacji elektrostatycznej jest zjawiskiem
przejścia tunelowego elektronu z pasma walencyjnego przez barierę potencjału (pasmo zabronione) do
pasma przewodnictwa (rys. 3) bez konieczności posiadania energii większej niż energia bariery.

Rys. 3. Model pasmowy warstw
P i N silnie domieszkowanych:

a)

przed połączeniem,

b)

po połączeniu.

5

Prawdopodobieństwo przejścia tunelowego jest tym większe im niższa i węższa jest bariera.

Szerokość bariery (szerokość warstwy zaporowej) maleje w miarę wzrostu koncentracji domieszek w
złączu (przebicie Zenera występuje w złączach silnie domieszkowych, w których pole elektryczne osiąga
wartość ponad 10

8

[V/m]). Zjawisko Zenera charakteryzuje mała wartość napięcia przebicia, co dla złącza

krzemowego oznacza U

pz

< 5 [V]. Jeżeli złącze ulegnie przebiciu przy napięciu wyższym niż U

p

> 7 [V],

to gwałtowny wzrost prądu jest powodowany zjawiskiem lawinowej jonizacji zderzeniowej.

2.5.2. Przebicie lawinowe.
Wskutek dostarczenia energii przez swobodny nośnik ładunku, rozpędzony w silnym polu

elektrycznym, ulegają rozerwaniu wiązania atomów w sieci krystalicznej (zjawisko jonizacji
zderzeniowej). Powstają pary elektron-dziura, które poruszając się ruchem przyspieszonym w polu
elektrycznym mogą uzyskać energię kinetyczną, wystarczającą do kolejnej jonizacji zderzeniowej. W ten
sposób następuje powielanie liczby nośników w obszarze o silnym polu elektrycznym (warstwa
zaporowa). Jeżeli szerokość warstwy zaporowej jest znacznie większa od drogi swobodnej nośnika (drogi
pomiędzy dwoma zderzeniami), to następuje lawinowe powielanie liczby nośników. Napięcie przebicia
lawinowego można oszacować na podstawie wzoru:

4

3

22

2

3

10

1

,

1

60

−

























=

N

W

U

g

p

(1)

U

p

– napięcie przebicia [V],

W

g

– szerokość pasma zabronionego [eV],

N – koncentracja domieszek w bazie złącza [m

-3

].

Zarówno przebicie Zenera jak i przebicie lawinowe nie powodują bezpośrednio uszkodzenia złącza.

Jeżeli w obwodzie zewnętrznym jest odpowiednie ograniczenie prądu, to złącze dowolnie długo może
pracować w zakresie przebicia. W przeciwnym przypadku w złączu wydziela się zbyt duża moc i
nadmiernie wydzielane ciepło spowoduje zniszczenie złącza.

2.6. Wpływ temperatury na charakterystykę prądowo-napięciową złącza p-n.

Przyrządy półprzewodnikowe mogą pracować w zakresie temperatur, w którym wszystkie atomy

domieszek są zjonizowane a generacja par elektron-dziura (przeskok elektronów z pasma walencyjnego
do pasma przewodnictwa) jest mało prawdopodobna. Pracę złącza można rozpatrywać dla trzech
zakresów charakterystyk prądowo-napięciowych:

-

zakres zaporowy przed przebiciem,

-

zakres przebicia,

-

zakres przewodzenia.

2.7. Praca złącza w zakresie zaporowym oraz w zakresie przebicia.

W zakresie przebicia zmiany napięcia zależą liniowo od temperatury:

( )

(

)

[

]

0

1

0

T

T

U

U

p

p

−

+

=

β

(2)

U

p

(0) – napięcie przebicia w temperaturze T

0

= 300 [K],

β – temperaturowy współczynnik napięcia przebicia.

Współczynnik β przyjmuje wartości ujemne, gdy przebicie jest wywołane zjawiskiem Zenera, lub

dodatnie, gdy jest wywołane zjawiskiem lawinowym. W przypadku przebicia Zenera wzrost temperatury
powoduje nieznaczne zmniejszenie szerokości pasma zabronionego, zmniejsza się zatem szerokość
bariery dla nośników tunelowych z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa (rys. 3), co powoduje
wzrost prądu tunelowego (zwiększenie prądu Zenera przy stałym napięciu polaryzacji, a więc
zmniejszenie napięcia przebicia przy stałym prądzie) – rys. 4a.

6

W przypadku przebicia lawinowego wzrost temperatury powoduje zwiększenie amplitudy drgań

atomów w węzłach sieci krystalicznej, wzrasta prawdopodobieństwo zderzenia elektronu lub dziury z
drgającym atomem, skraca się ich droga swobodna, przez co uzyskują mniejszą wartość energii
kinetycznej w chwili zderzenia. Maleje zatem prawdopodobieństwo jonizacji zderzeniowej, co oznacza
osłabienie powielania lawinowego. Zatem przy stałym napięciu maleje prąd lawinowy, a więc przy
stałym prądzie wzrasta wartość napięcia przebicia lawinowego – rys. 4b.

Rys. 4. Charakterystyki prądowo-
napięciowe złącza p-n w zakresie
zaporowym dla różnych temperatur:

a)

przebicie Zenera,

b) przebicie lawinowe.

2.8. Diody Zenera (stabilizatory).

Są to diody warstwowe p-n przeznaczone do zastosowań w układach stabilizacji napięć, w układach

ograniczników, jako źródła napięć odniesienia itp. Obszar pracy tych diod znajduje się na odcinku
charakterystyki prądowo-napięciowej odpowiadającemu gwałtownemu wzrostowi prądu wstecznego
wskutek zjawiska przebicia Zenera lub/i przebicia lawinowego. Przebicie Zenera występuje w złączach
silnie domieszkowanych przy napięciach do 5 [V]. Przebicie lawinowe występuje w złączach słabo
domieszkowanych przy napięciach powyżej 7 [V]. Obydwa zjawiska występują w złączach o średniej
koncentracji domieszek przy napięciach 5 – 7 [V].

Temperaturowy współczynnik napięcia (

β

) przy przebiciu Zenera ma znak ujemny a przy przebiciu

lawinowym ma znak dodatni. Nazwa dioda Zenera zwyczajowo obejmuje zarówno diody o przebiciu
Zenera jak i diody o przebiciu lawinowym.

Rys. 5. Charakterystyka prądowo-napięciowa
stabilitronu.

Wyróżniamy następujące parametry statyczne i dynamiczne (rys. 5) charakteryzujące stabilitrony:

-

napięcie przewodzenia

U

F

przy określonym prądzie przewodzenia

I

F

,

-

prąd wsteczny

I

R

przy określonym napięciu wstecznym

U

R

,

-

napięcie stabilizacji

U

Z

(napięcie odpowiadające umownej wartości prądu stabilizacji),

7

-

temperaturowy współczynnik napięcia stabilizacji

β

definiowany jako stosunek względnej zmiany

napięcia stabilizacji do bezwzględnej zmiany temperatury otoczenia przy określonym prądzie
stabilizacji

const

Z

I

Z

Z

dT

dU

U

=

=

1

β

(3)

-

rezystancja dynamiczna

r

Z

przy określonym prądzie stabilizacji, wyznaczana z nachylenia

charakterystyki statycznej I(U)

Z

Z

Z

I

U

r

∆

∆

=

(4)

Wyróżnia się następujące dopuszczalne parametry graniczne:

-

maksymalny stały prąd przewodzenia

I

Fmax

,

-

maksymalny dopuszczalny prąd stabilizacji

Z

Z

U

P

I

max

max

=

(5)

-

maksymalna temperatura złącza

T

j

wynosi zwykle 150 [

°

C].

Ze względu na moc rozpraszaną stabilizatory dzieli się na:

-

małej mocy (P

max

≤ 1 [W]),

-

ś

redniej mocy (1 [W] < P

max

≤ 10 [W]),

-

dużej mocy (10 [W] < P

max

≤ 100 [W]),

-

bardzo dużej mocy (P

max

> 100 [W]).

Temperaturowy współczynnik napięcia stabilizacji może przyjmować wartości ujemne (przebicie

Zenera dla U

Z

< 5 [V]), dodatnie (przebicie lawinowe dla U

Z

> 7 [V]) lub bliskie zera dla diod o napięciu

U

Z

= 5 – 7 [V].

W zakresie małych wartości prądu I

Z

przeważa mechanizm Zenera (

β

< 0), w miarę wzrostu prądu

I

Z

coraz większy jest udział mechanizmu lawinowego (

β

> 0) – rys.6.

Rys. 6. Charakterystyki I(U) dwóch diod Zenera
(A i B) przy dwu różnych temperaturach.

8

3. Wykonanie pomiarów

3.1. Schemat układu pomiarowego.

Dz1, Dz2, Dz3 – diody Zenera o
różnych napięciach przebicia złącza,
I1, I2, I3 – źródła prądowe o
wydajności 4 [mA] każde,
Uz – zasilacz napięcia stałego,
PP – przełącznik,
V – woltomierz,
UG – układ grzejny (pojemnik z olejem
silikonowym ogrzewany grzałką),
T – obszar równomiernie nagrzewany.

3.2. Opis schematu układu pomiarowego.

Diody Zenera (Dz1, Dz2, Dz3) umieszczone są w naczyniu z

olejem, które jest ogrzewane grzałką (UG). Olej zapewnia
równomierne nagrzewanie się diod. W skład układu wchodzą trzy
niezależne źródła prądowe (I1, I2, I3), o wydajności prądowej
4 [mA], zasilające diody. Płynący przez diodę prąd ustala punkt
pracy (P) na charakterystyce prądowo-napięciowej diody Zenera
(rys. obok).

Za pomocą woltomierza (V) mierzone są napięcia na

poszczególnych diodach. Odczytu dokonuje się po wybraniu danej diody za pomocą przełącznika (PP).
Układ grzejny zapewnia stopniowe i równomierne nagrzewanie się diod w trakcie pomiarów.

3.3. Kolejność wykonywanych czynności.

1)

Włączyć zasilanie układu (U) i woltomierza (V).

2)

Włączyć układ grzejny (UG) i poczekać do momentu, gdy temperatura osiąganie 110 [˚C].

3)

Wyłączyć układ grzejny (UG) i włączyć chłodzenie odkręcając zawór wodny.

4)

Odczytać temperaturę z termometru (T). Wybierając przełącznikiem (PP) kolejne diody wykonać
pomiary napięć Zenera dla każdej diody woltomierzem (V). Powtarzać pomiary po zmianie
temperatury co 5 [K], do temperatury pokojowej.

5)

Zapisywać pomiary temperatury i napięcia w tabeli:

Lp.

T

[K]

Uz1

[V]

Uz2

[V]

Uz3

[V]

1
2
3
4
5
6
7

…
…

9

6)

Po zakończeniu pomiarów wyłączyć zasilanie układu (U) i woltomierza (V) oraz zakręcić zawór
wody.

4. Opracowanie wyników

1)

Na podstawie wyników pomiarów wykonać wykresy U w funkcji T i w oparciu o wzór (3)
obliczyć metodą najmniejszych kwadratów wartości:

-

U

Z0

(T = 300 [K]),

-

współczynnik temperaturowy β.

2)

Oszacować błędy obliczonych wielkości.

3)

Sporządzić wykresy U

Z

= f(T) dla poszczególnych diod Zenera.

4)

Sporządzić wykres β = f(U

Z

).

5)

Dla właściwej diody obliczyć na podstawie wzoru (1) koncentrację domieszek w złączu
przyjmując napięcie przebicia U

P

= U

Z0

.

6)

Na podstawie wykresu β = f(U

Z

) napisać wnioski dotyczące rodzaju przebicia złącza oraz

koncentracji domieszek w poszczególnych diodach.

5. Sprawozdanie powinno zawierać:

1.

Tabelę wyników pomiarów.

2.

Wykresy U w f(T) oraz uzyskane wartości współczynnika β.

3.

Wykres β = f(U

Z

).

4.

Koncentrację domieszek w badanych złączach.

5.

Na podstawie wykresu β = f(U

Z

) napisać wnioski dotyczące rodzaju przebicia złącza oraz

koncentracji domieszek w poszczególnych diodach.

6.

Dyskusja wyników eksperymentalnych z uwzględnieniem błędów.

Literatura:
Uzupełnienie A