ELEMENTY PÓŁPRZEWODNIKOWE

–

LABORATORIUM

Paweł
Stanisław
GR. 2; 20.11.2011

Tak to było zaliczone

Ćwiczenie 1
Charakterystyki statyczne diod półprzewodnikowych

Wprowadzenie

Podstawowymi parametrami diody są:
- maksymalny średni prąd przewodzenia I

Fmax

- uznawany za prąd znamionowy I

Fn

diody spolaryzowanej w kierunku przewodzenia (jest to parametr graniczny,

którego nie można przekroczyć bez uszkodzenia diody),
- szczytowe wsteczne napięcie pracy U

Rwm

(dodatkowo podaje się jeszcze powtarzalne

szczytowe napięcie wsteczne U

Rrm

i niepowtarzalne szczytowe napięcie wsteczne U

Rsm

).

Spośród parametrów charakterystycznych do najważniejszych należą:
- napięcie przewodzenia U

Fp

przy prądzie przewodzenia I

F

=0,1·I

Fmax

.

- prąd wsteczny I

R

przy określonym napięciu wstecznym U

R

(zazwyczaj U

R

=U

Rwm

).

Jak widać na powyższym rysunku po przekroczeniu w kierunku przewodzenia napięcia U

Fp

prąd przewodzenia I

F

płynący przez diodę bardzo mocno wzrasta do dużych wartości. Tak jak

każdy element dioda ma również swoje parametry graniczne, których nie można przekroczyć
bez jej uszkodzenia. Dlatego prąd przewodzenia diody nie może przekroczyć jej
maksymalnego prądu przewodzenia I

Fmax

.

Zmiany natężenia prądu idealnego złącza p-n w funkcji napięcia
polaryzacji opisuje wzór Shockley´a:

I = I

S

·

gdzie: I

s

– prąd nasycenia złącza,

U – napięcie polaryzacji,
T – temperatura [K],
k= 1.38·10

-23

J/K (stała Boltzmana)

e=1,6·10

-19

C (ładunek elementarny).

Z dobrym przybliżeniem przyjmuje się, że dla U

F

>100mV:

I= I

S

·

Tak to było zaliczone

Prąd I

s

jest prądem nasycenia uwzględniającym mechanizmy dyfuzji i rekombinacji, a

wartość współczynnika n zależy od udziału składowej dyfuzyjnej i rekombinacyjnej w
prądzie płynącym przez złącze. Współczynnik n przyjmuje wartość pomiędzy 1 (tylko prąd
dyfuzji) i 2 (tylko prąd rekombinacji). Aby uwzględnić spadek napięcia na elementach diody
poza obszarem ładunku przestrzennego zwykle wprowadza się pojęcie rezystancji
szeregowej, co jest związane z założeniem, że te spadki napięcia są proporcjonalne do prądu
płynącego przez złącze. Tak, więc najprostszy model diody w kierunku przewodzenia
wygląda jak na rysunku poniżej















Element D ma charakterystykę opisaną wzorem Shockley´a , zamiast U, we wzorze
podstawiamy (U-I

F

R

s

). Wówczas wypadkowa charakterystyka diody może być opisana

wzorem

:

I= I

S

·

Po zlogarytmowaniu otrzymujemy
ln(I) = ln (I

s

) +

· (U–I

F

R

F

)

Tak to było

U

Model diody w kierunku przewodzenia

lub w postaci

ln(I) = ln (I

s

) +

· (U–∆U)

Jeśli tę charakterystykę narysować w układzie współrzędnych, na którym oś napięcia U jest
liniowa a oś prądu, I

F

ma podziałkę logarytmiczną, otrzymamy wykres jak na rysunku poniżej

Po wykonaniu takiego wykresu można obliczyć z części liniowej wartość I

s

oraz n,

a z części nieliniowej R

s

. Dla ułatwienia analizy wykresu w części liniowej pomijamy

rezystancję szeregową, R

s

.

Wyniki i obliczenia

Na podstawie wykresu dla diody prostowniczej 1N4002
- wyznaczona wartość I

s

wynosi 8·10

-11

[A] = 80 pA

- współczynnik nieidealności n wyznaczamy dla przyjętego odcinka wykresu od
U

1

=0,58V ; I

1

=0,3mA do U

2

=0,726V ; I

2

=13mA, temperatura otoczenia podczas ćwiczenia

wynosiła 23

O

C = 296K

-rezystancję szeregową R

S

obliczmy dla I=101mA wówczas przyjmujemy dla wybranej w

wartości np. dla pomiaru nr …. ;
U

3

=0,803V , U

4

=0,814V

Tak to było

Na podstawie wykresu dla diody stabilizacyjnej BZP620C12
- wyznaczona wartość I

s

wynosi 1,2·10

-12

[A] = 1,2 pA

- współczynnik nieidealności n wyznaczamy dla przyjętego odcinka wykresu od
U

1

=0,672V ; I

1

=0,68mA do U

2

=0,741V; I

2

=6mA,

temperatura otoczenia wynosiła 23

O

C = 296K

- rezystancję szeregową R

S

obliczmy dla I

3

=121,52mA wówczas przyjmujemy

wartości………..; U

3

=0,741V , U

4

=1,02V

Tak to było

Zadanie 3.

Półprzewodniki posiadają pasmo wzbronione między pasmem walencyjnym a pasmem
przewodzenia w zakresie 0 - 6 eV (np. Ge 0,7 eV, Si 1,1 eV , GaAs 1,4 eV, GaN 3,4 eV, AlN
6,2 eV). Koncentracje nośników ładunku w półprzewodnikach można zmieniać w bardzo
szerokich granicach, zmieniając temperaturę półprzewodnika lub natężenie padającego na
niego światła lub przez ściskanie czy rozciąganie. W przemyśle elektronicznym najczęściej
stosowanymi materiałami półprzewodnikowymi są pierwiastki grupy IV (np. krzem, german)
oraz związki pierwiastków grup III i V (np. arsenek galu, azotek galu, antymonek indu) lub II
i VI (tellurek kadmu). Materiały półprzewodnikowe są wytwarzane w postaci monokryształu,
polikryształu lub proszku. Pomiędzy obszarami występuje różnica potencjałów, która tworzy
barierę potencjałów zwaną warstwą zaporową . Warstwę zaporową charakteryzuje napięcie
dyfuzyjne. I w zależności jakie jest to napięcie taki powstaje spadek na złączu. Napięcie
doprowadzone do złącza i to napięcie dyfuzyjne sumują się lub odejmują i powstaje
wypadkowa napięcia. Spadki napięć na badanych diodach w kierunku przewodzenia są różne
w zależności od technologii wykonania i użytych materiałów. Dla diody prostowniczej jest to
spadek napięcia na zwykłym krzemowym złączu p-n. Dioda Schottky’ego to złącze m-s
(metal-półprzewodnik), na tym złączu w kierunku przewodzenia odkłada się dwukrotnie
niższe napięcie niż na złączu krzemowym p-n. Diody Zennera w kierunku przewodzenia
mają podobny spadek napiecia jak diody prostownicze. W diodach LED do budowy złącza
użyto arsenek galu, dodatkowo dochodzą przejścia skośne i pośrednie, które są wynikiem
odpowiedniego domieszkowania, można uznać że jest to wynik dużej przerwy zabronionej
(dla czerwonej LED 2.35eV ).

Zadanie 4.

Tak to było

Na pierwszym rysunku przedstawiony jest przebieg z najprostszego układu prostownika
jednopołówkowego, przez diodę przedostają się tylko dodatnie połówki sinusoidy, gdyż
wówczas na anodzie diody jest wyższy potencjał niż na katodzie i dioda jest spolaryzowana w
kierunku przewodzenia ( gdy U

D

>0.6V) napięcie u

wy

występuje więc jedynie przez połowę

okresu napięcia e(t)

,

wartość szczytowa tego przebiegu jest równa wartości napięcia

szczytowego e(t) pomniejszona o spadek napięcia na diodzie.
Znaczne zmniejszenie tętnień w układzie prostowniczym uzyskuje się przez włączenie
między prostownik a obciążenie filtru wygładzającego napięcie. W filtrach takich stosuje się
elementy zdolne do magazynowania energii elektrycznej . Najprostszy filtr ( tzw. filtr
pojemnościowy), tworzy się przez dołączenie kondensatora równolegle do wyjścia
prostownika (równolegle do obciążenia), zmienia to przebieg napięcia (rysunek drugi ),
w dodatnim półokresie napięcia zmiennego u

wy

, w chwili gdy napięcie u(t), doprowadzone do

anody diody staje się większe od napięcia u

wy

występującego na obciążeniu Ro,

kondensatorze C i katodzie diody, dioda przewodzi wówczas prąd płynący przez kondensator
C i obciążenie R

o

. Powoduje to ładowanie kondensatora do napięcia u

wy

ze stałą czasową

określoną przez pojemność C i niewielką rezystancję szeregową przewodzącej diody. Ze
względu na bezwładność procesu ładowania napięcie na kondensatorze narasta wolniej niż
napięcie u(t), na wykresach widać delikatne przesunięcie początku narastania szczytu . Po
osiągnięciu maksymalnej wartości U

m

napięcie u(t) zaczyna maleć. Zmniejsza się również

napięcie na kondensatorze, lecz wolniej niż napięcie u(t). W gdy napięcie u(t) na anodzie
diody staje się mniejsze od napięcia na kondensatorze i katodzie diody, dioda przestaje
przewodzić. Kondensator utrzymuje w dalszym ciągu dużą wartość napięcia u

wy

, która

powoli maleje wykładniczo w wyniku rozładowywania kondensatora przez obciążenie Ro ze
stosunkowo dużą stałą czasową, równą C·Ro . W kolejnym dodatnim półokresie napięcia u(t),
napięcie na anodzie diody staje się znowu większe od napięcia u

wy

na katodzie i kondensator

C jest ponownie ładowany prądem przepływającym przez diodę. Napięcie u

wy

na obciążeniu i

kondensatorze C wykazuje niewielkie wahania (tętnienia), znacznie mniejsze niż w układzie
prostowniczym bez filtru (kondensatora). Wartość średnia U

wy

tego napięcia jest duża, o

wartości zbliżonej do Um. Prąd diody płynie tylko przez część dodatniego półokresu napięcia
u(t), w tym czasie musi dostarczyć do kondensatora ładunek, wystarczający na pokrycie
ciągłego przepływu przez obciążenie R

o

.

Następny rysunek przedstawia przebieg napięcia z prostownika dwupołówkowego, w tym
przypadku przebieg napięcia pochodzi z dodatniej oraz ujemnej połówki przebiegu u(t),
a napięcie szczytowe u

wy

jest mniejsze od napięcia szczytowego u(t) o spadek napięcia na

diodach w stanie przewodzenia.

Tak to było

Na kolejnym rysunku jest przebieg napięcia z układu prostownika dwupołówkowego z
dołączonym kondensatorem układ taki daje lepszą stałość napięcia u

wy

(i w rezultacie

mniejsze tętnienia). Kondensator jest ładowany dwa razy częściej, w każdej połówce okresu,
dzięki czemu w przerwach między ładowaniem spadek napięcia na kondensatorze jest
mniejszy. Prąd diody ma mniejszą wartość maksymalną I

m

niż w prostowniku

jednopołówkowym, gdyż ładunek, wymagany do przepływu przez obciążenie określonej
wartości średniej prądu

dostarczany jest przez dwa impulsy prądu dwóch diod.