Ćw. nr: 29
Charakterystyka diody półprzewodnikowej
I. Wstęp teoretyczny
Półprzewodnikami nazywane są ciała stałe, dla których szerokość pasma wzbronionego nie przekracza 3 eV. Szerokość pasma wzbronionego nazywamy najmniejszą ilość energii, jaką jest potrzebna, aby przenieść elektron z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa.
Półprzewodniki dzielimy na:
1. Jonowe (nośnikami prądu elektrycznego są jony, nie mają większego zastosowania)
2. Elektronowe:
a) samoistne
b) domieszkowe .
W półprzewodnikach samoistnych przewodnictwo jest uwarunkowane przejściem elektronów z zapełnionego pasma walencyjnego do pustego pasma przewodnictwa. W półprzewodnikach domieszkowych przewodnictwo jest uwarunkowane różnicą elektronowych poziomów energetycznych atomów kryształu i atomów domieszki.
Przewodnictwo samoistne półprzewodników.
Mechanizm przewodzenia elektryczności w półprzewodnikach omówimy na przykładzie germanu. W atomie mamy 32 elektrony. 4 elektrony z powłoki zewnętrznej (walencyjne) tworzą z elektronami sąsiednich atomów wiązania kowalencyjne. Szerokość pasma energii wzbronionej jest stosunkowo mała (W=0,7eV).Wskutek oddziaływań zewnętrznych niektóre z elektronów walencyjnych uzyskują energię przekraczającą szerokość pasma energii wzbronionej i mogą brać udział w przepływie prądu elektrycznego. Przejście elektronu z pasma zapełnionego powoduje powstanie w tym paśmie walencyjnych poziomów, na które mogą przechodzić inne elektrony o energiach należących do tego pasma, a zatem przewodnictwo wewnątrz pasmowe.
Przewodnictwo domieszkowe półprzewodników.
Stosuje się dwa rodzaje domieszek. Do sieci krystalicznej typowych kryształów półprzewodnikowych wprowadza się atomy pierwiastków pięciowartościowych np.: arsen (As), fosfor (P), antymon (Sb), lub trójwartościowych jak glin (Al), ind (In).
Podstawowe własności półprzewodników:
Ekspotencjalny spadek oporu właściwego wraz ze wzrostem temperatury.
Duży wpływ zanieczyszczeń i domieszek na opór właściwy np.: opór tlenku niklu, który w czystym stanie jest izolatorem, maleje 10 razy po dodaniu 1% litu.
Zmiana własności elektrycznych pod wpływem temperatury (termistory), oświetlenia (zastosowanie w fotoelementach), pola elektrycznego i ciśnienia.
Opór elektryczny zależy również od tego czy sieć krystaliczna półprzewodnika nie ma defektów.
Złącze p-n.
Obszar graniczny rozdzielający obszary o przewodnictwie dziurowym i elektronowym nazywamy złączem dziurowo-elektronowym lub złączem p-n. Na granicy półprzewodników o różnym typie przewodnictwa mamy do czynienia ze zjawiskiem dyfuzji nośników ładunku elektrycznego. W otoczeniu granicy półprzewodników typu n i typu p powstaje kontaktowe pole elektryczne oraz różnica potencjałów.
Pole to ma taki kierunek, że przeciwdziała dyfuzji większościowych ładunków przez złącze, ale umożliwia przepływ nośników mniejszościowych. Przez złącze przepływają więc 2 prądy: prąd dyfuzji i prąd dryfu. Przy braku zewnętrznego napięcia suma tych prądów jest równa zero. Gdy doprowadzimy do złącza p-n napięcie zewnętrzne U, obszar typu p łączymy z ujemnym biegunem napięcia, nastąpi poszerzenie strefy ładunku przestrzennego, przez zwiększenie skoku potencjału na złączu p-n do wartości (ΔU+U). W tych warunkach przepływa jedynie prąd wsteczny zależny od koncentracji nośników mniejszościowych. Jeśli napięcie przyłożymy odwrotnie wówczas natężenia pola zewnętrznego i kontaktowego mają przeciwne zwroty. Następuje wówczas zmniejszenie obszaru ładunku przestrzennego oraz skoku potencjału do wartości (ΔU,+U), co sprzyja przepływowi nośników większościowych przez złącze. Płynie wówczas prąd przewodzenia. Posługując się modelem pasmowym półprzewodnika można obliczyć natężenie prądu całkowitego płynącego przez złącze p-n, do którego przyłożone jest napięcie U.
gdzie: I - prąd płynący przez diodę złącze p-n .
I0 - całkowity prąd mniejszościowy.
q - ładunek elektronu .
T - temperatura w skali Kelwina.
II. Tabele pomiarowe
Dioda półprzewodnikowa
| Kierunek zaporowy | Kierunek przewodzenia |
|---|---|
| U[V] | I[μA] |
| -9 | -5,5 |
| -8,5 | -5,3 |
| -8 | -5,3 |
| -7,5 | -5,2 |
| -7 | -5 |
| -6,5 | -4,9 |
| -6 | -4,8 |
| -5,5 | -4,8 |
| -5 | -4,5 |
| -4,5 | -4 |
| -4 | -4 |
| -3,5 | -4 |
| -3 | -4 |
| -2,5 | -4 |
| -2 | -4 |
| -1,5 | -3,8 |
| -1 | -3,7 |
| -0,5 | -3,5 |
Dioda Zenera
| Kierunek zaporowy | Kierunek przewodzenia |
|---|---|
| U[V] | I[μA] |
| -0,5 | 0 |
| -1 | -1 |
| -1,5 | -1 |
| -2 | -1,5 |
| -2,5 | -2 |
| -3 | -3,5 |
| -3,5 | -5 |
| -3,6 | -6 |
| -3,7 | -6,5 |
| -3,8 | -7 |
| -3,9 | -8 |
| -4 | -9 |
| -4,1 | -10 |
| -4,2 | -11 |
| -4,3 | -13,5 |
| -4,4 | -14 |
| -4,5 | -16,5 |
| -4,6 | -19 |
| -4,7 | -23 |
| -4,8 | -26,5 |
| -4,9 | -30 |
Dioda LED
| Kierunek przewodzenia |
|---|
| U[V] |
| 2,45 |
| 2,35 |
| 2,25 |
| 2,15 |
| 2,05 |
| 1,95 |
| 1,85 |
| Następnie żarówka zgasła |
Wyznaczenie błędów pomiarów:
∆U=$\frac{klasa*zakres}{100}$ ∆I=$\frac{klasa*zakres}{100}$
Błędy w kierunku przewodzenia:
Dla napięcia na zakresie 0,75V: ∆U=$\frac{0,5*0,75}{100} = 0,00375$V
Dla zakresu 7,5mA: ∆I=$\frac{0,5*7,5}{100} = 0,0375mA$
Błędy w kierunku zaporowym:
Dla napięcia na zakresie 0,75V: ∆U=$\frac{0,5*0,75}{100} = 0,00375$V
Dla napięcia na zakresie 15V: ∆U=$\frac{0,5*15}{100} = 0,075V$
Dal zakresu 150μA: ∆I=$\frac{0,5*150}{100} = 0,75\mu A$