Kierunek i grupa		Imię, Nazwisko	Ocena
I rok ETI, L7		Darasz Tomasz
Temat : Badanie własności prostowniczych diod półprzewodnikowych.

1. Wprowadzenie

1. Półprzewodniki - przeważnie substancje krystaliczne. Wyróżniamy dwa rodzaje półprzewodników:

a) samoistne - półprzewodniki, których materiał jest idealnie czysty, bez żadnych zanieczyszczeń struktury krystalicznej

b) domieszkowe - polega ją na tym, że do ich struktury kryształu wprowadza się dodatkowe atomy pierwiastka, które nie wchodzą w skład półprzewodnika samoistnego.

2. Wśród półprzewodników wyróżniamy półprzewodniki:

1. typu „n” - powstaje poprzez wprowadzenie domieszki produkującej nadmiar elektronów (tzw. domieszka donorowa). Otrzymujemy je jeżeli kryształy np. gr. IV (Si, Ge) domieszkamy pierwiastkami gr. V (As, Sb, P). Poziomy energetyczne atomów domieszkowych umiejscawiają się w paśmie energii wzbronionej, tuż poniżej dna pasma przewodnictwa. Atomy domieszek posiadają w stosunku do atomów kryształu o jeden elektron walencyjny więcej i w temp. pokojowych łatwo stają się elektronami przewodnictwa.

2. Typu „p” - powstaje poprzez wprowadzenie domieszki produkującej niedobór elektronów (tzw. domieszka akceptorowa). Otrzymujemy je jeżeli czysty krzem domieszkamy pierwiastkami gr. III (Al., In, Ga). Poziomy energetyczne atomów domieszkowych nie są obsadzone przez elektrony tych atomów i mogą być zajmowane przez elektrony z pasma walencyjnego kryształu. Przejście elektronu z pasma walencyjnego na poziom domieszki towarzyszy wytworzenie się dziury w paśmie walencyjnym.

3. Złącza p-n (tzw. przejścia elektronowo - dziurowe) - granica zetknięcia się dwóch półprzewodników, z których jeden odznacza się przewodnictwem elektronowym, drugi zaś przewodnictwem dziurowym.

4. W równowadze termicznej elektrony przewodnictwa przechodzące z donorów znajdują się głównie w obszarze typu n, gdzie zobojętniają one dodatni ładunek przestrzenny zjonizowanych donorów, podczas gdy dziury pochodzące z akceptorów znajdują się głównie w obszarze typu p. Nie da się ich jednak całkowicie oddzielić, o ile nie istnieje w obszarze złącza pole elektryczne. Jeżeli przyjmiemy, 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, podczas gdy elektrony będą dyfundować do części p, pozostawiając w części n dodatnio naładowane jony donorowe. Pierwotna dyfuzja spowoduje powstanie podwójnej warstwy elektrostatycznej na złączu. Z warstwą tą związane jest pole elektryczne E skierowane z części n do p, a więc przeciwdziałające dalszej dyfuzji nośników przez złącze.

5. Jeżeli do złącza przyłożymy zewnętrzne pole elektryczne, którego kierunek jest zgodny z kierunkiem pola wewnętrznego E. Pole zewnętrzne będzie wówczas wzmacniać pole zewnętrzne i pociągnie za sobą wzrost grubości podwójnej warstwy elektrostatycznej d, która odznacza się zwiększonym oporem. Kierunek prądu, przy którym warstwa podwójna, tzw. warstwa zaporowa, ulega pogrubieniu i nosi nazwę kierunku zaporowego. W kierunku zaporowym warstwa ma duży opór i płynie przez nią prąd o małym natężeniu.

6. Zmieniając biegunowość przyłożonego napięcia, kierunek zewnętrznego pola elektrycznego będzie przeciwny względem kierunku pola wewnętrznego. W obszarze warstwy zaporowej wzrośnie liczba swobodnych elektronów i dziur, a jej grubość d ulegnie zmniejszeniu. Taki kierunek pola zewnętrznego nazywamy kierunkiem przewodzenia. Przez złącze spolaryzowane w kierunku przewodzenia może płynąć prąd o dużym natężeniu.

7. Styk dwóch półprzewodników o różnych znakach nośników prądu posiada własności prostowania prądu zmiennego, stąd nazwa dioda półprzewodnikowa.

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

I=I₀(exp
-1),

Dla dużych wartości +U_p:

I≡I₀exp

Gdzie:
I₀ - wartość prądu nasycenia zależna od materiału p-n
e - ładunek elektronu
U - napięcie przyłożone do diody (U_z<0, U_p>0)
T- temperatura złącza
M - współczynnik rekombinacji (1-2)

2. Przebieg ćwiczenia

Zestawiliśmy obwód elektryczny zgodnie ze schematem:

W ćwiczeniu zmienialiśmy napięcie zasilania i odnotowywaliśmy z mierników odpowiednie wartości napięć i natężeń prądu dla 6 diod w zakresach:

• Dla I diody 0,000 - 0,200 [mV] co 0,050 [mV] i 0,200 - 0,280 co 0,020 [mV]

• Dla pozostałych 5 diod 0,0 - 3,7 [mV] co 0,1 [mV]

Wyniki zapisaliśmy w tabeli. Nasze pomiary dotyczyły kierunku przewodzenia.

4. Obliczenia i niepewności pomiarów

Niepewności pomiarowe obliczamy wg wzoru:

Δ U = U * 0,05 Δ I = I * 0,05

Niepewności standardowe obliczamy ze wzoru:

U[X]=

Przykładowe obliczenia (reszta wyników w tabeli pomiarów powyżej):

U(U)=
dla U=0,050 [mV]

U(I)=
dla I=0,01 [mA]

3. Tabele pomiarów

Kierunek Przewodzenia
Dioda 1
U [mV]	I [mA]	U(U)	U(I)	Δ U	Δ I
0,05	0,03	0,0289	0,0173	0,0025	0,0015
0,1	0,13	0,0577	0,0751	0,005	0,0065
0,15	0,75	0,0866	0,4330	0,0075	0,0375
0,2	3,25	0,1155	1,8764	0,01	0,1625
0,22	8,55	0,1270	4,9363	0,011	0,4275
0,24	19,74	0,1386	11,3969	0,012	0,987
0,26	35,05	0,1501	20,2361	0,013	1,7525
0,28	68,4	0,1617	39,4908	0,014	3,42
Dioda 2
0,1	0,2	0,0577	0,1155	0,005	0,01
0,2	0,2	0,1155	0,1155	0,01	0,01
0,3	0,2	0,1732	0,1155	0,015	0,01
0,4	0,3	0,2309	0,1732	0,02	0,015
0,5	0,9	0,2887	0,5196	0,025	0,045
0,6	0,9	0,3464	0,5196	0,03	0,045
0,7	5,81	0,4041	3,3544	0,035	0,2905
0,71	8	0,4099	4,6188	0,0355	0,4
0,72	9,3	0,4157	5,3694	0,036	0,465
0,73	10,8	0,4215	6,2354	0,0365	0,54
0,74	13,5	0,4272	7,7942	0,037	0,675
0,75	15,15	0,4330	8,7469	0,0375	0,7575
0,76	16,53	0,4388	9,5436	0,038	0,8265
0,77	20,22	0,4446	11,6740	0,0385	1,011
0,78	20,95	0,4503	12,0955	0,039	1,0475
Dioda 3
0	0,01	0,0000	0,0058	0	0,0005
0,2	0,02	0,1155	0,0115	0,01	0,001
0,4	0,02	0,2309	0,0115	0,02	0,001
0,6	0,35	0,3464	0,2021	0,03	0,0175
0,62	0,79	0,3580	0,4561	0,031	0,0395
0,64	1,2	0,3695	0,6928	0,032	0,06
0,66	2,6	0,3811	1,5011	0,033	0,13
0,68	4,41	0,3926	2,5461	0,034	0,2205
0,7	9,09	0,4041	5,2481	0,035	0,4545
0,72	15,84	0,4157	9,1452	0,036	0,792
0,74	30,76	0,4272	17,7593	0,037	1,538
0,76	55,1	0,4388	31,8120	0,038	2,755

Kierunek zaporowy
Dioda 4
U [mV]	I [mA]	U(U)	U(I)	Δ U	Δ I
0	0,0015	0,0000	0,0009	0	0,000075
2	0,0022	1,1547	0,0013	0,1	0,00011
4	0,0028	2,3094	0,0016	0,2	0,00014
6	0,0033	3,4641	0,0019	0,3	0,000165
8	0,0038	4,6188	0,0022	0,4	0,00019
10	0,0043	5,7735	0,0025	0,5	0,000215
12	0,0047	6,9282	0,0027	0,6	0,000235
14	0,0052	8,0829	0,0030	0,7	0,00026
16	0,0058	9,2376	0,0033	0,8	0,00029
18	0,0062	10,3923	0,0036	0,9	0,00031
20	0,0066	11,5470	0,0038	1	0,00033
22	0,0072	12,7017	0,0042	1,1	0,00036
24	0,0077	13,8564	0,0044	1,2	0,000385
25	0,0079	14,4338	0,0046	1,25	0,000395
Dioda 5
0	0,0001	0,0000	0,0001	0	0,000005
2	0,0003	1,1547	0,0002	0,1	0,000015
4	0,0005	2,3094	0,0003	0,2	0,000025
6	0,0008	3,4641	0,0005	0,3	0,00004
8	0,0009	4,6188	0,0005	0,4	0,000045
10	0,0012	5,7735	0,0007	0,5	0,00006
12	0,0014	6,9282	0,0008	0,6	0,00007
14	0,0016	8,0829	0,0009	0,7	0,00008
16	0,0018	9,2376	0,0010	0,8	0,00009
18	0,0019	10,3923	0,0011	0,9	0,000095
20	0,0022	11,5470	0,0013	1	0,00011
22	0,0024	12,7017	0,0014	1,1	0,00012
24	0,0026	13,8564	0,0015	1,2	0,00013
25	0,0027	14,4338	0,0016	1,25	0,000135
Dioda 6
0	0,0002	0,0000	0,0001	0	0,00001
2	0,0004	1,1547	0,0002	0,1	0,00002
4	0,0005	2,3094	0,0003	0,2	0,000025
6	0,0008	3,4641	0,0005	0,3	0,00004
8	0,001	4,6188	0,0006	0,4	0,00005
10	0,0012	5,7735	0,0007	0,5	0,00006
12	0,0014	6,9282	0,0008	0,6	0,00007
14	0,0016	8,0829	0,0009	0,7	0,00008
16	0,0018	9,2376	0,0010	0,8	0,00009
18	47,2	10,3923	27,2509	0,9	2,36

5. Wykresy

Szacowana wartość napięcia progowego U_b dla diod w kierunku przewodzenia:

∆dU_b - niepewność skalowania

U_b1=0,075 [mV] ∆dU_b=0,05*U_b =0,00375 [mV]

U_b2=1,0 [mV] ∆dU_b=0,05*U_b =0,05 [mV]

U_b3=1,0 [mV] ∆dU_b=0,05*U_b =0,05 [mV]

U_b4=1,15 [mV] ∆dU_b=0,05*U_b =0,0575 [mV]

U_b5=1,4 [mV] ∆dU_b=0,05*U_b =0,07 [mV]

U_b6=0,61 [mV] ∆dU_b=0,05*U_b =0,0305 [mV]

6. Wnioski

W tym ćwiczeniu poznawaliśmy własności prostownicze diod półprzewodnikowych w kierunku przewodzenia, a także wyznaczeniu ich charakterystyk prądowo-napięciowych. Analizowaliśmy 6 diod w kierunku przewodzenia. Następnie wyznaczyliśmy napięcia progowe diod. Podsumowując dioda 1 ma najmniejsze napięcie progowe, z czego wynika, że najlepiej przewodzi prąd w kierunku przewodzenia. Natomiast największy opór w kierunku przewodzenia stawia dioda nr 5.

Ewentualne błędy mogły być wynikiem wpływu niepożądanych oporności (rezystancje mierników, przewodów połączeniowych, rezystancje na stykach przewodów), a także bledami wprowadzanymi przez mierniki. Nie miało to jednak znaczącego wpływu na ogólny sens ćwiczenia i otrzymane wyniki.

9

Zasilacz

z zabezpieczeniem prądowym

zestaw diod

Wykres zależności napięcia U [mV] od natężenia I [mA]

w kierunku przewodzenia dla diody 1

-20,00

-10,00

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

U [mV]

I [mA]

Wykres zależności napięcia U [mV] od natężenia I [mA]

w kierunku przewodzenia dla diody 2

-40,00

-20,00

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

0,0

0,3

0,6

0,9

1,2

1,5

1,8

2,1

2,4

2,7

U [mV]

I [mA]

Wykres zależności napięcia U [mV] od natężenia I

[mA] w kierunku przewodzenia dla diody 3

-40,00

-20,00

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

0,0

0,3

0,6

0,9

1,2

1,5

1,8

2,1

2,4

2,7

3,0

U [mV]

I [mA]

Wykres zależności napięcia U [mV] od natężenia

I [mA] w kierunku przewodzenia dla diody 4

-60,00

-40,00

-20,00

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

0,0

0,3

0,6

0,9

1,2

1,5

1,8

2,1

2,4

2,7

3,0

3,3

3,6

U [mV]

I [mA]

Wykres zależności napięcia U [mV] od natężenia I

[mA] w kierunku przewodzenia dla diody 5

-40,00

-20,00

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

0,0

0,3

0,6

0,9

1,2

1,5

1,8

2,1

2,4

2,7

3,0

3,3

3,6

3,9

U [mV]

I [mA]

Wykres zależności napięcia U [mV] od natężenia I

[mA] w kierunku przewodzenia dla diody 6

-20,00

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

0,0

0,3

0,6

0,9

1,2

1,5

1,8

2,1

2,4

2,7

3,0

3,3

3,6

3,9

4,2

U [mV]

I [mA]

---