Rok akademicki 1996/97	Laboratorium z fizyki
Nr ćwiczenia: 23	Temat: Charakterystyka styku między metalem a półprzewodnikiem typu n
Wydział: Elektronika Kierunek: E-nika i Telekom. Grupa: E03	Imię i nazwisko: Tomasz Zalewski
Data wykonania	Ocena		Data zaliczenia	Podpis
	T
	S

1. Zasada pomiaru.

Pomiędzy metalem a półprzewodnikiem na złączu typu metal-półprzewodnik n istnieje kontaktowa różnica potencjałów. W warstwie przystykowej półprzewodnika niemal w ogóle brak jest elektronów, gdyż strumień elektronów z półprzewodnika do metalu przeważa nad strumieniem elektronów z metalu do półprzewodnika. Ma ona więc znacznie większy opór i nazywana jest warstwą zaporową.

Przyłączenie do złącza zewnętrznego napięcia zmienia rozmiary warstwy zaporowej, wysokość bariery potencjału i opór. Jeśli zewnętrzne pole elektryczne skierowane jest od metalu (+) do półprzewodnika (-), w kierunku przewodzenia, powoduje to zmniejszenie bariery potencjału, czyli powiększenie przewodności złącza. W kierunku tym może płynąć stosunkowo duży prąd. Pole skierowane przeciwnie zmniejsza przewodność złącza - kierunek ten jest zwany kierunkiem zaporowym.

Z tego też względu złącza takie, wykorzystywane w diodach, wykazują właściwości prostujące prądu przemiennego.

Zależność prądu od napięcia zewnętrznego diody metal-półprzewodnik przedstawia rysunek:

     Duże zmiany oporu w zależności od napięcia, przedstawić można we współrzędnych ln R oraz U :

W odróżnieniu od diody ze złączem p-n, w diodach typu metal-półprzewdnik ze względu na brak procesów dyfuzji nie występuje tu duża bezwładność w transporcie ładunków mniejszościowych przez obszar n. Dzięki temu szybkość działania takiej diody jest znacznie większa niż w przypadku diody typu p-n.

Celem doświadczenia było zbadanie właściwości złącza, do którego przyłożono zewnętrzne napięcie w kierunku przewodzenia i zaporowym, oraz właściwości prostujących złącza, przez które przepływał prąd sinusoidalny.

2. Schemat układu pomiarowego.

      a) do wyznaczania charakterystyki napięciowo-prądowej złącza metal-półprzewodnik

      b) do obserwacji działania prostownika jednopołówkowego

      c) do obserwacji działania prostownika dwupołówkowego

3. Ocena dokładności pojedynczych pomiarów.

     Przyrządy użyte w ćwiczeniu oraz ich dokładność pomiarowa:

      a) woltomierz cyfrowy VC-10T :

      b) amperomierz:

4. Tabele pomiarowe.

     a) dla kierunku przewodzenia

Lp.	U	ΔU	I	ΔI	R	ΔR	ln R
	V	mV	mA	mA	Ω	Ω	dla Ω
1	0,09	0,1	0	1,5	-	-	-
2	0,18	0,2	0	1,5	-	-	-
3	0,28	0,3	0	1,5	-	-	-
4	0,38	0,4	0	1,5	-	-	-
5	0,48	0,5	1	1,5	480	720	6,2
6	0,55	0,6	2	1,5	275	207	5,6
7	0,60	0,6	4	1,5	150	56,4	5,0
8	0,64	0,6	6	1,5	107	26,8	4,7
9	0,66	0,7	10	1,5	66,0	10,0	4,2
10	0,68	0,7	14	1,5	48,6	5,3	3,9
11	0,69	0,7	16	1,5	43,1	4,1	3,8
12	0,70	0,7	20	1,5	35,0	2,7	3,6
13	0,71	0,7	24	1,5	29,6	1,9	3,4
14	0,72	0,7	28	1,5	25,7	1,4	3,3
15	0,73	0,7	30	1,5	24,3	1,2	3,2
16	0,74	0,7	34	1,5	21,8	1,0	3,1
17	0,74	0,7	38	1,5	19,5	0,8	3,0
18	0,74	0,7	42	1,5	17,6	0,7	2,9
19	0,75	0,8	46	1,5	16,3	0,6	2,8
20	0,76	0,8	50	1,5	15,2	0,5	2,7
21	0,80	0,8	88	1,5	9,1	0,16	2,2
22	0,83	0,8	145	7,5	5,7	0,30	1,7
23	0,85	0,9	190	7,5	4,5	0,18	1,5
24	0,86	0,9	230	7,5	3,7	0,13	1,3
25	0,87	0,9	275	7,5	3,2	0,09	1,2
26	0,88	0,9	320	7,5	2,8	0,07	1,0
27	0,89	0,9	365	7,5	2,4	0,05	0,9
28	0,90	0,9	410	7,5	2,2	0,04	0,8

      b) dla kierunku zaporowego

Lp.	U	ΔU	I	ΔI	R	ΔR	ln R
	V	mV	μA	μA	MΩ	M.Ω	dla Ω
1	4,94	4,9	0,5	0,38	9,88	7,42	16,1
2	9,91	9,9	1,0	0,38	9,91	3,73	16,1
3	14,86	14,9	1,5	0,38	9,91	2,49	16,1
4	19,84	19,8	2,0	0,38	9,92	1,87	16,1
5	24,81	24,8	2,5	0,38	9,92	1,50	16,1
6	29,76	29,8	3,0	0,38	9,92	1,25	16,1

5. Przykładowe obliczenia wyników pomiarów wielkości złożonej.

a) przykładowe wartości oporności oraz lnR przy pomiarze złącza spolaryzowanego w kierunku przewodzenia:

b) przykładowe wartości oporności oraz lnR przy pomiarze złącza spolaryzowanego w kierunku zaporowym:

6. Rachunek błędów.

     Błąd maksymalny pomiaru oporności został obliczony metodą różniczki logarytmicznej:

     Przykładowe obliczenia:

      a) dla tabeli 4a

      b) dla tabeli 4b

7. Zestawienie wyników pomiarów.

Zestawienie wyników pomiarów wraz z ich błędami znajduje się w tabelach przedstawionych w punkcie 4 sprawozdania.

     Przebiegi zaobserwowane na lampie oscyloskopowej:

      a) przebieg sinusoidalny przed przejściem przez prostownik

      b) przebieg sinusoidalny po przejściu przez prostownik jednopołówkowy

      c) przebieg sinusoidalny po przejściu przez prostownik dwupołówkowy (mostek Graetza)

8. Uwagi i wnioski.

Wyniki dokonanych pomiarów oraz wykonane na ich podstawie charakterystyki potwierdzają właściwości złącza typu metal - półprzewodnik typu n.

W kierunku przewodzenia przez złącze diody zauważalny prąd zaczyna płynąć po przekroczeniu ok. 0,6 V i osiąga największy przyrost przedziale 0,76 ÷ 0,9 V (co obrazuje bliski linii prostej wykres). Wartość prądu w tym przedziale wzrasta z ok. 50 mA do ponad 400 mA. W kierunku zaporowym przez złącze płynie bardzo mały prąd (rośnie praktycznie liniowo) i przy stosunkowo dużym napięciu wynoszącym ok. 30 V osiąga wartość zaledwie 3 μA. Także zależność oporu złącza prostującego od napięcia potwierdza właściwości badanego złącza. W kierunku przewodzenia wraz ze wzrostem napięcia opór malał. Ze względu na bardzo małe wartości prądu płynącego przez złącze, przy niskich napięciach na diodzie (<0,3 V), powstały trudności z jego odczytaniem z mikroamperomierza (niezbyt duża klasa dokładności), a co za tym idzie trudności z odczytaniem oporności złącza przy niskich napięciach. W związku z tym opór można było poprawnie odczytać przy napięciach na diodzie przekraczających 0,48 V. W kierunku zaporowym opór złącza jest duży i praktycznie stały w dużym zakresie napięcia.

W drugiej części doświadczenia obserwowano praktyczne wykorzystanie właściwości badanego złącza w postaci jedno- i dwupołówkowego prostownika diodowego. W pierwszym przypadku układ dokonywał prostowania tylko połówek dodatnich lub ujemnych (w zależności kierunku od połączenia), w drugim, za pomocą mostka Graetza, możliwe było prostowanie dwupołówkowe co obrazuje wykres w punkcie 7.

---