Mechatronika	Szymon Moliński	16.03.2010r.
L 14	Badanie własności prostowniczych diod półprzewodnikowych	Ocena:

Wstęp 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.

Opis ćwiczenia:

Ćwiczenie polegało na pomiarze natężenia prądu przepływającego przez trzy diody w kierunku przewodzenia i zaporowym. Za każdym razem nieznacznie zwiększano doprowadzane napięcie (z tym, że dla kierunku zaporowego było ono o wiele wyższe).

Pomiarów doprowadzanego napięcia dokonywano woltomierzem (podłączonym równolegle), a prądu w układzie – amperomierzem (podłączonym szeregowo).

Wykresy charakterystyk prądowo-napięciowych:

DIODA I

DIODA II

DIODA III

Obliczenia i niepewności pomiarowe:

Niepewności pomiarów miernika cyfrowego (uwzględniono na wykresach):

∆I=1%
∆U=1%

Wartości napięć progowych:

U_b1= 0,25V +/- 0,0525V (1% + 0,05V)

U_b2= 0,75V +/- 0,0575V

U_b3= 0,75V +/- 0,0575V

Wnioski:

Po przekroczeniu napięcia progowego (w kierunku przewodzenia), prąd płynący przez diodę gwałtownie wzrastał. W przypadku dwóch pierwszych diód wzrost napięcia w kierunku zaporowym nie miał prawie żadnego efektu. W przypadku trzeciej diody – diody Zenera – po przekroczeniu pewnej wartości napięcia w kierunku zaporowym (napięcie przebicia) następował gwałtowny skok natężenia (przebicie lawinowe). Diody takie stosuje się do stabilizacji napięć stałych.