wiczenie nr 45.
BADANIE WASNOCI DIOD PÓPRZEWODNIKOWYCH .
1. WSTP TEORETYCZNY:
Celem wiczenia jest zapoznanie si z mechanizmem przepywu prdu w póprzewodnikach , pomiar charakterystyk prdowo - napiciowych póprzewodnikowych diod prostowniczych i diod Zenera .
Ciaa stae ze wzgldu na ich wasnoci elektryczne mona podzieli na trzy grupy: przewodniki , póprzewodniki i dielektryki (izolatory) .Do póprzewodników nale ciaa , których konduktywno jest mniejsza od konduktywnoci dobrych przewodników , ale znacznie wiksza od konduktywnosci dielektryków . Do póprzewodników zaliczamy 12 pierwiastków : bor , wgiel , krzem , fosfor , siarka , german , arsen , selen , cyna , antymon , tellur , jod .Póprzewodnikami mog by take zwizki podwójne ,materiay organiczne ( antracen , szeciobenzobenzen ) .Istotnym czynnikiem , który odrónia póprzewodniki od pozostaych grup cia staych jest ich struktura elektronowa , z której wynikaj elektryczne , optyczne i inne wasnoci póprzewodników .W przewodnikach elektrony walencyjne tylko czciowo wypeniaj pasmo albo najwysze cakowicie obsadzone pzez elektrony walencyjne pasmo nachodzi na wyej pooone pasmo puste . W dielektrykach elektrony walencyjne cakowicie wypeniaj pasmo zwane pasmem walencyjnym lub podstawowym. W póprzewodniku cz elektronów pasma walencyjnego moe przej do pustego pasma przewodnictwa i sta si elektronami zdolnymi do przewodzenia prdu. Aby jednak to nastpio, naley elektronom walencyjnym dostarczy energii równej szerokoci pasma wzbronionego. Energi potrzebn do wzbudzenia noników prdu, zwan te czsto energi aktywacji, moe by np. energia fotonu padajcego wiata .Dziki maej szerokoci pasma wzbronionego w póprzewodniku , ju w temperaturze pokojowej cz elektronów walencyjnych jest przeniesiona do pasma przewodnictwa i umoliwia przepyw prdu , gdy tymczasem w dielektryku pasmo przewodnictwa w tej temperaturze jest cakowicie puste.Liczba elektronów w pasmie przewodnictwa , przypadajca na jednostk objtoci ciaa , powiksza si z temperatur ciaa T zgodnie ze wzorem :
,
w którym k = 1.38*10 ^ -23 JK - staa Boltzmanna
C - staa zalena od rodzaju póprzewodnika .
Zalenoc koncentracji noników od temperatury jest specyficzn waciwosci póprzewodników .Rozróniamy wród póprzewodników nadmiarowe póprzewodniki lub typu n.
W póprzewodniku typu n moliwe jest pewne przewodnictwo dziurowe w pasmie podstawowym , w wyniku przej pewnej liczby elektronów z pasma podstawowego do pasma przewodnictwa , jak jest to w póprzewodniku samoistnym . W dowolnym typie póprzewodnika w wyniku dziaania siy przyoonego pola elektrycznego , zwikszajcej prdko noników prdu , oraz hamujcego dziaania zjawiska rozpraszania noników na drganiach cieplnych sieci i zjonizowanych atomach domieszek , ustala si pewna rednia warto prdkoci noników w kierunku pola . Gsto prdu w póprzewodnikach wyraona jest wzorem :
,
gdzie j = gstoc prdu , e = adunek elektronu ( adunek elementarny ) , vn ,vp - prdko unoszenia elektronów i dziur .
Ciekawe wasnoci , szczególnie z punktu widzenia zastosowa technicznych , wykazuj ukady zoone z dwóch obszarów o rónym typie przewodnictwa w obrbie tego samego póprzewodnika , zwane zczami p-n . Zacza p-n otrzymuje si przez odpowiednie rozmieszczenie domieszek akceptorowych i donorowych w óprzewodniku . W strefie przejciowej midzy obszarami rónego typu przewodnictwa zachodzi mniej lub bardziej skokowa zmiana rodzaju domieszek i ich koncentracji . Na skutek gradientów koncentracji elektronów i dziur nastpuje dyfuzja noników wikszociowych : elektronów z obszaru n do obszaru p i dziur z obszaru p do obszaru p . Przyoenie do zcza p-n zewntrznego napicia zakóca równowag . Jeeli napiecie zewntrzne U jest zgodne z biegunowoci bariery potencjau Ud i j powiksza , to prd noników wikszociowych spada praktycznie do zera . Przypadek ten odpowiada kierunkowi zaporowemu . Jeeli natomiast do obszaru p przyoymy potencja dodatni , a do obszaru n potencja ujemny , to bariera potencjau ulega obnieniu i prd wzrasta . Odpowiada to kierunkowi przepustowemu .
Nazwa diody warstwowej stopowej pochodzi od technologii wykonania zcza p-n .W kierunku przepustowym pynie duy prd , a wartoc natenia tego prdu jest ograniczona granic , powyej której moe nastpi zniszczenie diody . W kierunku zaporowym pynie prd o mniejszym nateniu . Prd ten ju przy maych napiciach zaporowych osiga stan nasycenia . Dopiero od pewnej wartoci napicia zaporowego Uzg ,zwanego napiciem granicznym lub napicie Zenera , prd gwatownie wzrasta .Jest to zwizane ze zwikszeniem koncentracji noników prdu , spowodowanym przejciem elektronów pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa pod wpywem silnego pola elektrycznego w warstwie zaporowej (efekt Zenera) albo jonizacj zderzeniow w silnym polu , albo wreszcie przegrzaniem prostownika . Diody Zenera s nazwane diodami stabilizacyjnymi.Dua powierzchnia warstwy zaporowej umoliwia przepyw przez ni duych prdów oraz zwiksza pojemno wasn diody .
2. OPIS DOWIADCZENIA :
Ukad do pomiaru charakterystyki prdowo - napiciowej diody , czyli zalenoci natenia prdu pyncego przez diod od przyoonego na diod napicia I = f ( U ) , przedstawia rysunek :
Ukad skada si z zasilacza prdu staego , multimetru do pomiaru natenia i napicia prdu w kierunku przepustowym i zaporowym oraz przystawek .
3.CHARAKTERYSTYKI PRDOWO - NAPICIOWE DIOD :
Wykresy przedstawiaj zaleno pomidzy napiciem , a napreniem w diodach w kierunku zaporowym oraz przewodzenia :
4.BD POMIARU I DYSKUSJA BDÓW :
Do okrelenia bdów wykorzystujemy wzór oparty na podstawie klasy przyrzdu pomiarowego : klasa*zakres / 100 .
Klasa miernika elektronicznego wynosi 0,5 % . Bd pomiaru zaley przede wszystkim od klasy miernika , ale gównie od zakresu i zmienia si wraz ze zmian granicy , do której mona wykona dany pomiar w okrelonum przedziale .
Przykadowe obliczenie :
1. 0,5 %* 2 mA / 100 = 0,01 mA
2. 0,5 % * 200mA / 100 = 1 mA
3. 0,5 % * 200 mA / 100 = 1 mA
4. WNIOSKI :
Dowiadczenie polegao na wielokrotnym pomiarze napicia oraz natenia .Sporzdzenie wykresów byo do atwe , ze wzgldu na ogromn ilo pomiarów . Bdy w dowiadczeniu s prawie niewidoczne . Wykresy s bardzo podobne do podawanych przez inne róda . Niewielkie bdy wynikaj z duej dokadnoci mierników . Dowiadczenie byo przeprowadzone bardzo dokadnie i dua ilo pomiarów pozwolia na bardzo dokadne sporzdzenie wykresów . Jak wida z wykresów prd pyncy w kierunku przewodzenia jest znacznie wikszy ni prd pyncy w kierunku zaporowym . Niewielkie skoki napicia powoduj do znaczny wzrost natenia . Z wykresów mona odczyta zakresy stabilizujce dziaania diod . W czasie pomiarów nie przekraczalimy maksymalnych wartoci natenia i napicia , dopuszczalnych dla poszczególnych diod na zaciskach zasilacza . Mona zauway ,i dopiero od pewnej wartoci napicia zaporowego /zwanego napiciem granicznym lub napieciem Zenera / prd gwatownie wzrasta .W niektórych diodach proces gwatownego wzrostu prdu prowadzi do zniszczenia diody , natomiast w diodach Zenera wzrost prdu nie prowadzi do zniszczenia diody i jest odwracalny , co znajduje zastosowanie jako stabilizator napicia .
Wyszukiwarka