I ET-DI 10.01.2012
Laboratorium z fizyki
Ćw. Nr: 40
L 09
ZESPÓŁ 03
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
Uz=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.