Piotr Mazur Rzeszów 07.05.1996

I ED

L 08

ĆWICZENIE 29

Zdejmowanie charakterystyki diody półprzewodnikowej .

I . Wprowadzenie.

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 (DW=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 wewnątrzpasmowe .

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 :

1. Ekspotencjalny spadek oporu właściwego wraz ze wzrostem temperatury .

2. 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 .

3. Zmiana własności elektrycznych pod wpływem temperatury (termistory) , oświetlenia (zastosowanie w fotoelementach) , pola elektrycznego i ciśnienia .

4. 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 (DU+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 (DU+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. Wykonanie ćwiczenia.

W celu wyznaczenia charakterystyki diody półprzewodnikowej zestawimy układ wg. schematu :

Przy połączeniu diody w kierunku zaporowym dzielnikiem napięcia zmieniamy napięcie od 0 do 9 V w odstępach co 0,5 V i odczytujemy odpowiednio natężenie prądu elektrycznego wskazane przez mikroamperomierz . Następnie włączamy diodę do obwodu w kierunku przeciwnym . Zmieniając napięcie od 0 do 0,5 V co 0,1 V odczytujemy odpowiednie wartości prądu . Wyniki umieszczamy w tabelce . Błąd systematyczny pomiaru napięcia i prądu wpływa na kształt charakterystyki . Ocenę błędu przeprowadzamy metodą graficzną .

Błędy analogowych mierników wskazówkowych :

x_M - wartość mierzona

x_R - wartość rzeczywista

Z_P - zakres pomiarowy w działkach

d - najmniejsza działka jaką można odczytać na zakresie Z_P .

Błąd bezwzględny Dx = x_M -x_R

Błąd względny

Klasa dokładności

Błąd bezwzględny

Błąd względny

Tabelka

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

---