Ćwiczenie nr 45.

BADANIE WŁASNOŚCI DIOD PÓŁPRZEWODNIKOWYCH .

1. WSTĘP TEORETYCZNY:

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z mechanizmem przepływu prądu w półprzewodnikach , pomiar charakterystyk prądowo - napięciowych półprzewodnikowych diod prostowniczych i diod Zenera .

Ciała stałe ze względu na ich własności elektryczne można podzielić na trzy grupy: przewodniki , półprzewodniki i dielektryki (izolatory) .Do półprzewodników należą ciała , których konduktywność jest mniejsza od konduktywności dobrych przewodników , ale znacznie większa od konduktywnosci dielektryków . Do półprzewodników zaliczamy 12 pierwiastków : bor , węgiel , krzem , fosfor , siarka , german , arsen , selen , cyna , antymon , tellur , jod .Półprzewodnikami mogą być także związki podwójne ,materiały organiczne ( antracen , sześciobenzobenzen ) .Istotnym czynnikiem , który odróżnia półprzewodniki od pozostałych grup ciał stałych jest ich struktura elektronowa , z której wynikają elektryczne , optyczne i inne własności półprzewodników .W przewodnikach elektrony walencyjne tylko częściowo wypełniają pasmo albo najwyższe całkowicie obsadzone pzez elektrony walencyjne pasmo nachodzi na wyżej położone pasmo puste . W dielektrykach elektrony walencyjne całkowicie wypełniają pasmo zwane pasmem walencyjnym lub podstawowym. W półprzewodniku część elektronów pasma walencyjnego może przejść do pustego pasma przewodnictwa i stać się elektronami zdolnymi do przewodzenia prądu. Aby jednak to nastąpiło, należy elektronom walencyjnym dostarczyć energii równej szerokości pasma wzbronionego. Energią potrzebną do wzbudzenia nośników prądu, zwaną też często energią aktywacji, może być np. energia fotonu padającego światła .Dzięki małej szerokości pasma wzbronionego w półprzewodniku , już w temperaturze pokojowej część elektronów walencyjnych jest przeniesiona do pasma przewodnictwa i umożliwia przepływ prądu , gdy tymczasem w dielektryku pasmo przewodnictwa w tej temperaturze jest całkowicie puste.Liczba elektronów w pasmie przewodnictwa , przypadająca na jednostkę objętości ciała , powiększa się z temperaturą ciała T zgodnie ze wzorem :

,

w którym k = 1.38*10 ^ -23 JK - stała Boltzmanna

C - stała zależna od rodzaju półprzewodnika .

Zależnośc koncentracji nośników od temperatury jest specyficzną właściwoscią półprzewodników .Rozróżniamy wśród półprzewodników nadmiarowe półprzewodniki lub typu n.

W półprzewodniku typu n możliwe jest pewne przewodnictwo dziurowe w pasmie podstawowym , w wyniku przejść pewnej liczby elektronów z pasma podstawowego do pasma przewodnictwa , jak jest to w półprzewodniku samoistnym . W dowolnym typie półprzewodnika w wyniku działania siły przyłożonego pola elektrycznego , zwiększającej prędkość nośników prądu , oraz hamującego działania zjawiska rozpraszania nośników na drganiach cieplnych sieci i zjonizowanych atomach domieszek , ustala się pewna średnia wartość prędkości nośników w kierunku pola . Gęstość prądu w półprzewodnikach wyrażona jest wzorem :

,

gdzie j = gęstośc prądu , e = ładunek elektronu ( ładunek elementarny ) , vn ,vp - prędkość unoszenia elektronów i dziur .

Ciekawe własności , szczególnie z punktu widzenia zastosowań technicznych , wykazują układy złożone z dwóch obszarów o różnym typie przewodnictwa w obrębie tego samego półprzewodnika , zwane złączami p-n . Złacza p-n otrzymuje się przez odpowiednie rozmieszczenie domieszek akceptorowych i donorowych w ółprzewodniku . W strefie przejściowej między obszarami różnego typu przewodnictwa zachodzi mniej lub bardziej skokowa zmiana rodzaju domieszek i ich koncentracji . Na skutek gradientów koncentracji elektronów i dziur następuje dyfuzja nośników większościowych : elektronów z obszaru n do obszaru p i dziur z obszaru p do obszaru p . Przyłożenie do złącza p-n zewnętrznego napięcia zakłóca równowagę . Jeżeli napiecie zewnętrzne U jest zgodne z biegunowością bariery potencjału Ud i ją powiększa , to prąd nośników większościowych spada praktycznie do zera . Przypadek ten odpowiada kierunkowi zaporowemu . Jeżeli natomiast do obszaru p przyłożymy potencjał dodatni , a do obszaru n potencjał ujemny , to bariera potencjału ulega obniżeniu i prąd wzrasta . Odpowiada to kierunkowi przepustowemu .

Nazwa diody warstwowej stopowej pochodzi od technologii wykonania złącza p-n .W kierunku przepustowym płynie duży prąd , a wartośc natężenia tego prądu jest ograniczona granicą , powyżej której może nastąpić zniszczenie diody . W kierunku zaporowym płynie prąd o mniejszym natężeniu . Prąd ten już przy małych napięciach zaporowych osiąga stan nasycenia . Dopiero od pewnej wartości napięcia zaporowego Uzg ,zwanego napięciem granicznym lub napięcie Zenera , prąd gwałtownie wzrasta .Jest to związane ze zwiększeniem koncentracji nośników prądu , spowodowanym przejściem elektronów pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa pod wpływem silnego pola elektrycznego w warstwie zaporowej (efekt Zenera) albo jonizacją zderzeniową w silnym polu , albo wreszcie przegrzaniem prostownika . Diody Zenera są nazwane diodami stabilizacyjnymi.Duża powierzchnia warstwy zaporowej umożliwia przepływ przez nią dużych prądów oraz zwiększa pojemność własną diody .

2. OPIS DOŚWIADCZENIA :

Układ do pomiaru charakterystyki prądowo - napięciowej diody , czyli zależności natężenia prądu płynącego przez diodę od przyłożonego na diodę napięcia I = f ( U ) , przedstawia rysunek :

Układ składa się z zasilacza prądu stałego , multimetru do pomiaru natężenia i napięcia prądu w kierunku przepustowym i zaporowym oraz przystawek .

3.CHARAKTERYSTYKI PRĄDOWO - NAPIĘCIOWE DIOD :

Wykresy przedstawiają zależność pomiędzy napięciem , a naprężeniem w diodach w kierunku zaporowym oraz przewodzenia :

4.BŁĄD POMIARU I DYSKUSJA BŁĘDÓW :

Do określenia błędów wykorzystujemy wzór oparty na podstawie klasy przyrządu pomiarowego : klasa*zakres / 100 .

Klasa miernika elektronicznego wynosi 0,5 % . Błąd pomiaru zależy przede wszystkim od klasy miernika , ale głównie od zakresu i zmienia się wraz ze zmianą granicy , do której można wykonać dany pomiar w określonum przedziale .

Przykładowe obliczenie :

1. 0,5 %* 2 mA / 100 = 0,01 mA

2. 0,5 % * 200mA / 100 = 1 mA

3. 0,5 % * 200 µA / 100 = 1 µA

4. WNIOSKI :

Doświadczenie polegało na wielokrotnym pomiarze napięcia oraz natężenia .Sporządzenie wykresów było dość łatwe , ze względu na ogromną ilość pomiarów . Błędy w doświadczeniu są prawie niewidoczne . Wykresy są bardzo podobne do podawanych przez inne żródła . Niewielkie błędy wynikają z dużej dokładności mierników . Doświadczenie było przeprowadzone bardzo dokładnie i duża ilość pomiarów pozwoliła na bardzo dokładne sporządzenie wykresów . Jak widać z wykresów prąd płynący w kierunku przewodzenia jest znacznie większy niż prąd płynący w kierunku zaporowym . Niewielkie skoki napięcia powodują dość znaczny wzrost natężenia . Z wykresów można odczytać zakresy stabilizujące działania diod . W czasie pomiarów nie przekraczaliśmy maksymalnych wartości natężenia i napięcia , dopuszczalnych dla poszczególnych diod na zaciskach zasilacza . Można zauważyć ,iż dopiero od pewnej wartości napięcia zaporowego /zwanego napięciem granicznym lub napieciem Zenera / prąd gwałtownie wzrasta .W niektórych diodach proces gwałtownego wzrostu prądu prowadzi do zniszczenia diody , natomiast w diodach Zenera wzrost prądu nie prowadzi do zniszczenia diody i jest odwracalny , co znajduje zastosowanie jako stabilizator napięcia .