I ET-DI 10.01.2012

Laboratorium z fizyki

Ćw. Nr: 40

Charakterystyka diody półprzewodnikowej

L 09

ZESPÓŁ 03

Zagadnienia teoretyczne

Działanie złącza 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)

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

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 + D , 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.

Jeśli natomiast do obszaru o przewodnictwie typu p dołączymy biegun dodatni

źródła 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 - D , 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:

(8.25)

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

I₀ - całkowity prąd mniejszościowy,

q - ładunek elektronu,

T - temperatura w skali Kelwina

III. Wykonanie obliczeń

1. W celu wyznaczenia charakterystyki diody półprzewodnikowej zmontować obwód

według schematu pokazanego na rys. 3.

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.

3. Sporządzić wykresy I=f(U) dla diody zarówno w kierunku zaporowym, jak

i przewodzenia.

4. Ocenę błędu przeprowadzić metodą graficzną

Obliczenia i wykresy

Dla kierunku zaporowego- dioda półprzewodnikowa

Dla kierunku przewodzenia-dioda półprzewodnikowa

Dla kierunku zaporowego-dioda Zenera

U_z=7,4±0,1 V

Dla kierunku przewodzenia-dioda Zenera

Dla kierunku przewodzenia-dioda LED

Wyznaczenie błędów pomiarów:

Błędy wyliczone dla pomiarów w kierunku przewodzenia:

Błędy wyliczone dla pomiarów w kierunku zaporowym:

Wnioski

Celem ćwiczenia było wyznaczenie charakterystyki prądowo napięciowej diody półprzewodnikowe, diody Zenera oraz diody LED. Napięcie Zenera wyniosło Uz=7,4±0,1 V. W kierunku przewodzenia dla diody półprzewodnikowej po przekroczeniu pewnej wartości napięcia wynoszącej około 0,4V prąd zaczął gwałtownie wzrastać wraz ze wzrostem napięcia. Wykonane wykresy są obarczone dużymi błędami z powodu bardzo małej dokładności przyrządów pomiarowych.