1. Opis ćwiczenia.

1. opis teoretyczny:

Półprzewodniki to materiały IV wartościowe pod względem rezystywności (oporności właściwej) zajmujące pośrednie miejsce między przewodnikami a izolatorami. Do półprzewodników należy: krzem, german, selen, niektóre tlenki metali, niektóre ferryty.

Półprzewodniki znalazły zastosowanie w prostownikach zaporowych. Największe znaczenie praktyczne mają styki dwu półprzewodników o różnych rodzajach przewodnictwa niesamoistnego. Rozróżniamy półprzewodniki niesamoistne typu „n” czyli elektronowe oraz typu „p” - czyli dziurowe. Jeśli teraz za materiał półprzewodnika przyjmiemy german i jeżeli właśnie czysty german będziemy domieszkować pierwiastkami piątej grupy układu okresowego, np. As, Sb, P, to otrzymamy półprzewodnik typu „n”. Poziomy energetyczne atomów domieszkowych umiejscawiają się w paśmie energii wzbronionych, tuż poniżej dna pasma przewodnictwa. Atomy domieszek posiadają w stosunku do atomów germanu o jeden elektron walencyjny więcej i łatwo oddają go do pasma przewodnictwa. Atomy domieszek nazywamy w tym przypadku donorami.

Jeżeli czysty german domieszkować będziemy pierwiastkami trzeciej grupy, np. Al., In, Ga, to otrzymamy półprzewodnik typu „p”. W tym przypadku poziomy energetyczne atomów domieszkowych leżą w paśmie energii wzbronionych, tuż powyżej pasma walencyjnego.

Pozimy energetyczne atomów domieszkowych nie są obsadzone przez elektrony tych atomów i mogą być zajmowane przez elektrony z pasma walencyjnego kryształu. Przejściu elektronu z pasma walencyjnego na poziom domieszki towarzyszy wytworzenie się dziury w paśmie walencyjnym. Atomy domieszkowe nazywamy w tym przypadku akceptorami. W półprzewodniku typu „n” przewodnictwo elektryczne uwarunkowane jest ruchem elektronów zaś w półprzewodniku typu „p” - ruchem dziur.

Granica zetknięcia dwóch półprzewodników, z których jeden odznacza się przewodnictwem elektronowym, drugi zaś przewodnictwem dziurowym nosi nazwę złącza p-n. W złączu p-n czyli w strefie granicznej obszaru n i p zachodzi dyfuzja tj. przenikanie elektronów do dziur. Elektrony zapełniając dziury tworzą warstwę jonów ujemnych i dodatnich. Grubość warstwy nie przekracza kilku mikrometrów. Jony wytwarzają pole elektryczne hamujące dalszy przepływ elektronów. Złącze p-n nazywa się barierą potencjałów lub warstwą zaporową o dużej rezystywności (duży opór wewnętrzny).

Dioda (D) posiada dwa obszary: typu n i typu p czyli jedno złącze p-n a także dwie elektrody: katodę i anodę. Jeżeli do obszaru p dołączymy potencjał +, a do n - to elektrony przenikając barierę potencjałów płyną przez warstwę p przewodami przez kolejne elementy obwodu m.in. źródło, w końcu wracają do warstwy n. Mówimy o spolaryzowaniu złącza w kierunku przewodzenia (przepustowi). Warunkiem tego zjawiska jest to, aby napięcie zasilania obwodu , w którym jest dioda miało wystarczającą wartość np. dla krzemu 0,65 V.

Przy polaryzacji przeciwnej następuje odpływ nośników prądu od złącza w wyniku czego bariera potencjałów powiększa się, zwiększa się jej rezystancja. Prąd w obwodzie w takim wypadku nie popłynie. Wtedy mówimy o polaryzacji wstecznej (zaporowej) diody.

Styk dwóch półprzewodników o różnych znakach nośników prądu posiada więc własności prostowania prądu zmiennego, podobnie jak dwuelektrodowa lampa elektronowa - dioda.

Charakterystyka prądowo-napięciowa przejścia p-n opisana jest równaniem Shockley'a:

gdzie:

I0 - stała

e - podstawa logarytmów naturalnych

q - ładunek elektronu

U - napięcie.

Rys. 1. Charakterystyka prądowo-napięciowa diody.

2. przebieg ćwiczenia:

1. Zdejmowanie charakterystyki prądowo-napięciowej w kierunku przewodzenia i zaporowym diód, za pomocą układów z rys.2 i rys.3. Napięcia dla diód w kierunku przewodzenia regulowane były w zakresach: dla 1 diody: 0÷6 [V] co 0,5 [V]; dla 2 diody: 0÷0,5 [V] co 0,1 [V] i od 0,5÷0,8 [V] co 0,05 [V]; dla diody 3: 0÷0,2 [V] co 0,05 [V] i od 0,2÷0,3 [V] co 0,02 [V]. Napięcie dla diód w kierunku zaporowym regulowane było w zakresie od 0÷3 [V] co 0,5 [V] i od 3÷21 [V] co 3 [V].

Rys. 2. Schemat układu do badania diód w kierunku przewodzenia.

Rys. 3. Schemat układu do badania diód w kierunku zaporowym.

2. Obliczanie współczynnika prostowania (α) dla danych z pkt.1 i wykreślenie zależności współczynnika prostowania od napięcia przyłożonego do złącza.

, U=const.

3. Obliczanie oporu diody dla każdej wartości napięcia na podstawie zdjętej charakterystyki prądowo-napięciowej i sporządzanie wykresu zależności oporu diody od napięcia w kierunku przewodzenia i w kierunku zaporowym.

2. Tabele pomiarowe.

1. badanie diód w kierunku przewodzenia:

2. badanie diód w kierunku zaporowym:

3. Obliczenia i dyskusja błędów.

ΔI [mA] = I * 0,03;

ΔU [V] = U * 0,03.

1. obliczanie współczynnika prostowania:

• dla 1 diody przy U = 6 [V]:

• dla 2 diody przy U = 0,8 [V]:

• dla 3 diody przy U = 0,3 [V]:

2. obliczanie oporu diód:

• dla 1 diody:

• dla 2 diody:

• dla 3 diody:

4. Charakterystyki.

1. charakterystyki prądowo-napięciowe:

• dla 1 diody:

• dla 2 diody:

• dla 3 diody:

2. charakterystyki zależności oporu diody od napięcia:

• dla 1 diody:

• dla 2 diody:

• dla 3 diody:

5. Uwagi i wnioski.

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.

13

---