Janusz Mąka
ITD
Ćwiczenie 29
Temat; Zdejmowanie charakterystyki diody półprzewodnikowej
I. Zagadnienia do samodzielnego opracowania
1. Rodzaje półprzewodników i ich własności.
2. Model pasmowy półprzewodników.
3. Przewodnictwo samoistne i domieszkowe półprzewodników.
4. Działanie złącza p-n.
II. Wprowadzenie
Działanie złącza p-n
Obszar graniczny rozdzielający obszary o przewodnictwie dziurawym
i elektronowym nazywamy złączem dziurowo-elektronowym lub złączem p-n.
Złącze p-n wytwarza się podczas hodowania kryształu poprzez wprowadzanie
domieszek, drogą dyfuzji termicznej lub poprzez wstrzykiwanie jonów domieszek do
sieci krystalicznej. Na granicy półprzewodników o różnym typie przewodnictwa mamy
do czynienia ze zjawiskiem dyfuzji nośników ładunku elektrycznego. Elektrony i dziury
dyfundują przez powierzchnię rozgraniczającą dążąc do wyrównania koncentracji.
Elektrony w półprzewodnika typu n dyfundują do półprzewodnika typu p, gdzie
koncentracja elektronów jest mniejsza. Powstają wówczas w monokrysztale o
przewodnictwie elektronowym, w pobliżu granicy różnych półprzewodników,
niezobojętnione jony donorowe. W monokrysztale typu p mamy niezobojętnione ujemne
jony domieszek akceptorowych. Dyfuzja dziur następuje w kierunku przeciwnym
i zwiększa niezobojętnione ładunki na granicy półprzewodników. Dodatnio naładowany
obszar półprzewodnika o przewodnictwie elektronowym posiada wyższy potencjał od
ujemnie naładowanego półprzewodnika typu p. W otoczeniu granicy półprzewodników
typu n i typu p powstaje kontaktowe pole elektryczne oraz różnica potencjałów
(rys. 1a i b)
Pole to ma taki kierunek, że przeciwdziała dyfuzji większościowych ładunków
przez złącze. W obszarze o przewodnictwie typu n oprócz elektronów pochodzących od
domieszek donorowych znajdują się również dziury stanowiące nośniki mniejszościowe.
Również w obszarze półprzewodnika typu p znajduje się pewna ilość mniejszościowych
elektronów swobodnych. Kontaktowe pole elektryczne umożliwia przepływ nośników
mniejszościowych do obszaru sąsiedniego. Przez złącze przepływają więc dwa prądy.
Pierwszy, związany z dyfuzją nośników większościowych, zwany jest prądem
dyfuzyjnym; drugi, związany z dryfem nośników mniejszościowych, nazywamy prądem
dryfu. W warunkach równowagi, przy braku zewnętrznego pola ( 0 = zew E ), suma tych
prądów jest równa zero. Pole elektryczne przyłożone do złącza powoduje zakłócenie
równowagi. Jeśli doprowadzimy do złącza p-n napięcie zewnętrzne U, przy czym obszar
o przewodnictwie typu p łączymy z ujemnym biegunem napięcia, a obszar o
przewodnictwie typu n z jego biegunem dodatnim, wówczas pole pochodzące od
przyłożonego napięcia i pole kontaktowe mają takie same kierunki i zwroty. Następuje
wówczas poszerzenie strefy ładunku przestrzennego oraz zwiększenie skoku potencjału
na złączu p-n do wartości U V + D , co utrudnia przepływ większościowych nośników
przez złącze (rys. 2b). Jest to kierunek zaporowy płynięcia prądu. W tych warunkach
przez złącze przepływa jedynie słaby prąd, zwany prądem wstecznym, o natężeniu
zależnym od koncentracji nośników mniejszościowych.
Jeśli natomiast do obszaru o przewodnictwie typu p dołączymy biegun dodatni
źródła napięcia, a do drugiego obszaru biegun ujemny, wówczas natężenia pola
zewnętrznego i kontaktowego mają przeciwne zwroty. Następuje wówczas zmniejszenie
obszaru ładunku przestrzennego oraz skoku potencjału do wartości U V - D , co sprzyja
przepływowi nośników większościowych przez złącze. Płynie wówczas prąd
przewodzenia. (rys. 2a).
Posługując się modelem pasmowym półprzewodnika można obliczyć natężenie
prądu całkowitego płynącego przez złącze p-n, do którego przyłożone jest zewnętrzne
napięcie U.
Obliczenia prowadzą do wzoru:
(8.25)
gdzie: I - prąd płynący przez złącze p-n diody,
I0 - całkowity prąd mniejszościowy,
q - ładunek elektronu,
T - temperatura w skali Kelwina
III. Wykonanie wiczenia
1. W celu wyznaczenia charakterystyki diody półprzewodnikowej zmontować obwód
według schematu pokazanego na rys. 3.
2. Po połączeniu diody w kierunku zaporowym dzielnikiem napięcia zmienić napięcie
od 0 do 9V w odstępach co 0,5V i odczytać odpowiednio natężenie prądu
elektrycznego wskazane przez mikroamperomierz. Po wykonaniu serii pomiarów dla
kierunku zaporowego włączyć diodę do obwodu w kierunku przewodzenia.
Zmieniając napięcie od 0 do 0,5V w odstępach co 0,1V odczytać odpowiednie
wartości natężenia prądu przewodzenia wskazywane przez miliamperomierz.
3. Sporządzić wykresy I=f(U) dla diody zarówno w kierunku zaporowym, jak
i przewodzenia.
4. Ocenę błędu przeprowadzić metodą graficzną.
IV. Tabele pomiarowe:
a) kierunek zaporowy b) kierunek przewodzenia
U |
I |
[V] |
[mA] |
0,14 |
0,5 |
0,17 |
1 |
0,19 |
1,5 |
0,2 |
2 |
0,21 |
2,5 |
0,22 |
3 |
0,23 |
3,5 |
0,24 |
4 |
0,3 |
12 |
0,33 |
18,3 |
0,36 |
25 |
0,39 |
35 |
0,45 |
58 |
0,48 |
74 |
U |
I |
[V] |
[μA] |
0 |
0 |
0,5 |
2 |
1 |
2 |
1,5 |
2 |
2 |
2 |
2,5 |
2 |
3 |
3 |
3,5 |
3 |
4 |
3 |
4,5 |
3 |
5 |
3 |
5,5 |
3 |
6 |
3 |
6,5 |
3 |
7 |
3 |
7,5 |
3 |
8 |
4 |
8,5 |
4 |
9 |
4 |
V.Wykresy:
b) kierunek przewodzenia
Zależność: I=f(U)
a) kierunek zaporowy
Zależność: I=f(U)
VI. Obliczenia:
Wyznaczenie błędów pomiarów:
Błędy wyliczone dla pomiarów w kierunku przewodzenia:
Dla napięcia mierzonego na zakresie 0,75V:
Oraz dla zakresu 7,5mA:
Błędy wyliczone dla pomiarów w kierunku zaporowym:
Dla napięcia mierzonego na zakresie 0,75V:
Dla napięcia mierzonego na zakresie 15V:
Dla prądu dla zakresu 150 μA:
VII. Wnioski:
Celem ćwiczenia było wyznaczenie charakterystyki prądowo napięciowej diody półprzewodnikowej. Przy dużej zmianie wartości napięcia wstecznego przy pomiarze w kierunku zaporowym po przekroczeniu pewnej wartości około 0,6-0,7V wartość prądu mimo wzrostu wartości napięcia prawie się nie zwiększała i wynosiła około 4 μA. W kierunku przewodzenia po przekroczeniu pewnej wartości napięcia wynoszącej około 0,4V prąd zaczął gwałtownie wzrastać wraz ze wzrostem napięcia. Wykonane wykresy są obarczone dużymi błędami z powodu bardzo małej dokładności przyrządów pomiarowych.