I ROK INŻYNIERIA ŚRODOWISKA		8.05.2012
Ćwiczenie numer 11	Badanie własności prostowniczych diod półprzewodnikowych

1. Wstęp

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.

Wśród półprzewodników wyróżniamy półprzewodniki:

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.

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.

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

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.

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.

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.

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

Charakterystykę prądowo-napięciową złącza p-n opisuje równanie Shockley’a oraz wykres.

$$\mathbf{I =}\mathbf{I}_{\mathbf{0}}\left( \mathbf{\exp}\frac{\mathbf{\text{eU}}}{\mathbf{\text{MkT}}}\mathbf{- 1} \right)$$

Dla dużych wartości +U_p:

$$\mathbf{I}\tilde{\mathbf{=}}\mathbf{\ }\mathbf{I}_{\mathbf{0}}\mathbf{\exp}\frac{\mathbf{\text{eU}}}{\mathbf{\text{MkT}}}$$

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)

1. Tabela pomiarów

Katarzyna Głowska

Kierunek przewodzenia	Kierunek zaporowy
U [mV]	I [mA]