BADANIE WŁASNOŚCI PROSTOWNICZYCH DIODY I PROSTOWNIKA SELENOWEGO

Po dodaniu do półprzewodnika z czystego germanu domieszki w postaci pierwiastków V gr. okresowej, np. As (Arsen), Sb (Antymon), P (Fosfor), to otrzymamy półprzewodnik typu n. Poziomy energetyczne atomów domieszkowych umiejscawiają się w paśmie energii wzbronionych, tuż poniżej dna pasma przewodnictwa. Atomy domieszek w stosunku do atomu germanu posiadają o jeden elektron walencyjny więcej, który łatwo oddają do pasma przewodzenia. W tym przypadku atomy domieszek nazywamy donorami (bo oddają elektron).

Dodając do półprzewodnika z czystego germanu domieszki pierwiastków III gr. okresowej, np. Al (Glin), In (Ind), Ga (Gal), to otrzymamy półprzewodnik typu p. Poziomy energetyczne atomów domieszkowych leżą w paśmie energii wzbronionych, tuż powyżej pasma walencyjnego. Poziomy energetyczne atomów domieszkowych nie są zajęte przez elektrony tych atomów i są w stanie przyjąć elektrony z pasma walencyjnego kryształu. Po przejściu takiego elektronu z pasma walencyjnego na poziom domieszki powstaje tzw. „dziura” w paśmie walencyjnym. Atomy domieszkowe w tym przypadku nazywamy akceptorami (bo przyjmują elektron).

Przewodnictwo elektryczne w półprzewodniku typu n zależy od ruchu elektronów, a w półprzewodniku typu p uwarunkowane jest od ruchu „dziur”.

Zetknięcie się dwu takich półprzewodników o powyższych własnościach nosi nazwę przejścia elektronowo-dziurowego albo złącza p-n. Złącze takie po stronie części n posiada dużą ilość elektronów, a po stronie części p duże skoncentrowanie dziur.

W stanie równowagi termicznej elektrony przewodnictwa, które pochodzą z donorów znajdują się w większości w obszarze typu n, gdzie zobojętniają one dodatni ładunek przestrzenny zjonizowanych donorów, podczas gdy dziury pochodzące z akceptorów są głównie w obszarze typu p. Nie da się ich jednak całkowicie odizolować, o ile nie istnieje w obszarze złącza pole elektryczne. Przyjmując, że pierwotnie nie ma pola elektrycznego na złączu, to zachodzić będzie proces dyfuzji „dziur” do części n, które pozostawiają w części p ujemnie naładowane jony akceptorowe, jednocześnie elektrony będą dyfundować do części p, pozostawiając w części n dodatnio naładowane jony donorowe. Proces pierwotnej dyfuzji spowoduje powstanie podwójnej warstwy elektrostatycznej na złączu. Z warstwą tą związane jest pole elektryczne E skierowane z części n do p, które przeciwdziała dalszej dyfuzji nośników przez złącze. (Rys. 1.)

Przykładając do złącza zewnętrzne pole elektryczne E_Z, którego kierunek jest zgodny z kierunkiem pola wewnętrznego E, pole zewnętrzne E_Z będzie wzmacniać pole wewnętrzne E, co spowoduje wzrost grubości podwójnej warstwy elektrostatycznej i będzie się odznaczać zwiększonym oporem. Taki kierunek prądu nazywamy zaporowym. W tym kierunku warstwa ma duży opór i płynie przez nią mały prąd. (Rys. 2)

Po zmianie biegunowości przyłożonego napięcia, kierunek zewnętrznego pola E_Z będzie przeciwny do kierunku pola wewnętrznego E. W obszarze warstwy zaporowej wzrośnie ilość swobodnych elektronów i „dziur”, a grubość warstwy ulegnie zmniejszeniu. Przez takie złącze, spolaryzowane w kierunku przewodzenia, może płynąć prąd o dużym natężeniu.(Rys. 3)

Styk dwóch półprzewodników o różnych znakach nośników prądu posiada zatem własności prostowania prądu zmiennego, podobnie jak dwuelektrodowa lampa elektronowa zwana diodą. Z tej przyczyny przyrząd posiadający jedno przejście p-n nazywany jest diodą półprzewodnikową.

Charakterystykę prądowo-napięciową złącza p-n opisuje równanie Shockley'a oraz wykres (Rys. 4.):

I₀ - stała,

e - podstawa logarytmów naturalnych,

q - ładunek elektronu,

U - napięcie.

Przebieg ćwiczenia:

a) Zdejmowanie charakterystyki prądowo-napięciowej w kierunku przewodzenia i zaporowym diody germanowej, krzemowej i półprzewodnika selenowego, za pomocą obwodu elektrycznego, (Rys. 5.).

b) Obliczanie oporu diody dla każdej wartości napięcia na podstawie zdjętej charakterystyki prądowo-napięciowej i rysowanie wykresu zależności oporu diody od napięcia w kierunku przewodzenia (wykres 1. 1.) i w kierunku zaporowym (wykres 2. 1).

c) Obliczanie współczynnika prostowania α.

, U=const.

KIERUNEK PRZEWODZENIA

DIODA I		DIODA II		PROSTOWNIK SELENOWY
U [V]	I [A]	U [V]	I [A]	U [V]	I [A]
0,1	0	0,1	0,005	0,4	0
0,2	0	0,2	0,045	0,8	0,008
0,3	0	0,3	0,129	1,2	0,071
0,4	0	0,4	0,257	1,6	0,188
0,5	0,006	0,5	0,391	2,0	0,337
0,6	0,028	0,6	0,554	2,4	0,494
0.7	0,063	0,7	0,726	2,8	0,616
0,8	0,125			3,2	0,777
0,9	0,232			3,6	0,856
1,0	0,417
1,1	0,591

KIRUNEK ZAPOROWY

DIODA I		DIODA II		PRZEWODNIK SELENOWY
U [V]	I [A]	U [V]	I[A]	U [V]	I[A]
1.2	0,419	1,2	0	2	0,024
2,4	0,428	2,4	0	4	0,058
3,6	0,437	3,6	0	6	0,100
4,8	0,449	4,8	0	8	0,149
6,0	0,459	6,0	0	10	0,209
7,2	0,473	7,2	0	12	0,277
8,4	0,493	8,4	0	14	0,365
9,6	0,519	9,6	0	16	0,482
10,8	0,546	10,8	0	18	0,655
12,0	0,571	12	0
13,2	0,599	13,2	0

Dane i obliczenia:

Aby wykonać wykres zależności R(U) należy policzyć R oraz błędy wskazań. Do obliczania oporów właściwych danego przewodnika służy wzór: , natomiast błąd pomiarowy obliczać będziemy następująco: klasa miernika (cyfrowego) • wskazanie.

1. Obliczanie błędów oraz oporów dla diody krzemowej, germanowej oraz dla półprzewodnika selenowego w kierunku przewodzenia.

Dioda krzemowa (kierunek przewodzenia):

, gdzie
;
; ;

Dioda germanowa (kierunek przewodzenia):

, gdzie ; ; ;

Półprzewodnik selenowy (kierunek przewodzenia):

, gdzie ; ; ;

2. Obliczanie błędów oraz oporów dla diody krzemowej, germanowej oraz dla półprzewodnika selenowego w kierunku zaporowym.

Dioda krzemowa (kierunek zaporowy):

, gdzie ; ; ;

Dioda germanowa (kierunek zaporowy):

, gdzie ; ; ;

Półprzewodnik selenowy (kierunek zaporowy):

, gdzie ; ; ;

Obliczanie współczynnika prostowania α:

* Współczynnik prostowania dla półprzewodnika selenowego wynosi: , dla U=0.6 V

Dane na wykresie

* Współczynnik prostowania dla diody germanowej wynosi: , dla U=0.6 V

Dane na wykresie

* Współczynnik prostowania dla diody krzemowej wynosi:

Dane na wykresie

Wnioski:

Wraz ze wzrostem napięcia współczynniki α wszystkich półprzewodników typu p-n rosną bardzo szybko zachowując stałą kolejność w skuteczności prostowania prądu (α_K >> α_G > α_S). Dioda krzemowa jest więc najskuteczniejszym prostownikiem prądu zmiennego.

Wpinając diodę do układu w kierunku przewodzenia chcemy by przy danym napięciu przyłożonym do tego obwodu uzyskać jak najmniejszy opór diody. Jak widać na wykresie dla danego U najmniejszy opór posiada dioda germanowa, a największy opór półprzewodnik selenowy. Wykres pokazuje również, że wraz ze wzrostem napięcia w badanym obwodzie maleje opór diody.

Wykresy zależności R(U) mają kształty hiperboidalne.

Podłączając diodę do układu w kierunku zaporowym chcemy by przy ustalonym napięciu opór diody był jak największy tzn. Aby przepuszczał jak najmniejszą wartość natężenia prądu. Z wykresu wynika, że dioda krzemowa posiada o wiele lepsze właściwości zaporowe (co potwierdza współczynnik prostowania α), niż pozostałe diody. Dioda krzemowa działa najlepiej dla małych napięć, zaś w miarę wzrostu napięcia właściwości prostownicze diody tej słabną, ale i tak są o wiele, wiele większe niż pozostałych dwóch.

Podsumowując: najlepsze właściwości prostownicze posiada dioda krzemowa.

Rys 5

---