ĆWICZENIE 19.
BADANIE CHARAKTERYSTYKI DIODY PÓŁPRZEWODNIKOWEJ
1.WSTĘP TEORETYCZNY :
W półprzewodnikach samoistnych nośnikami prądu są elektrony i dziury,przy czym koncentracje ich są jednakowe.Znacznie wygodniej byłoby mieć półprzewodnik tylko z jednym rodzajem nośników prądu:elektronami lub dziurami.Półprzewodniki,w których przepływ prądu wywołany jest głównie ruchem dziur,są nazywane półprzewodnikami typu p.Jeśli przepływ prądu jest związany z ruchem elektronów,to mówimy , że pół - przewodnik jest typu n.
Półprzewodnikiem samoistnym jest każdy materiał półprzewodnikowy o niezaburzonej strukturze krystalicznej.Wprowadzenie do niego odpowiednich obcych atomów,które nazywamy domieszką,wpływa w znacznym stopniu na jego właściwości elektryczne.Proces ten przeanalizuję na przykładzie struktury krystalicznej germanu . Jego atom ma cztery elektrony walencyjne.Używa się ich w sieci krystalicznej do wytwo -rzenia wiązań z czterema najbliższymi sąsiadami.
Jeśli w siatce zastąpimy jeden z atomów germanu atomem domieszki mającym pięć elektronów walencyjnych np.fosfor,to piąty elektron nie może utworzyć wiązania walencyjnego.Jest on słabo elekrostatycznie związany z jądrem domieszki.Aby go oderwać wystarczy na ogół niewielka energia (dla fosforu w Ge 0.012 eV).Stan ten nazywamy donorowym (donor-dawca).Energia elektronów znajdujących się w tym stanie jest ściśle określona,a więc w modelu pasmowym półprzewodnika opisana przez jaden poziom zwany donorowym.Jest on położony wewnątrz przerwy zabronionej pół-
przewodnika w pobliżu dna pasma przewodnictwa.Odległość energetyczna Ed w po-
równaniu z przerwą energetyczną półprzewodnika jest mała.Wystarczy niewielkie wzbudzenie cieplne,aby elektron opuścił poziom donorowy i znalazł się w paśmie prze-
wodnictwa.Wskutek tych przejść w półprzewodniku pojawia się nadmiarowa przewodność elektronowa zwana przewodnością typu n.Półprzewodnik po domieszko-
waniu go donorami staje się półprzewodnikiem typu n.Poziomy donorowe są zlokalizo-
wane.
Jeśli zaś do siatki germanu zostaje wprowadzony atom domieszkowy z trzema elektronami walencyjnymi to elektrony te utworzą wiązania z trzema sąsiednimi atomami sieci pierwotnej (germanu).Czwarte,potrzebne sieci wiąznie,pozostanie niewysycone.Utworzy się zlokalizowana dziura.Może być ona łatwo wypełniana przez elektron biorący udział w którymś z sąsiednich wiązań german-german.Po takim przyjęciu elektronu przez omawianą dziurę powstaje dziura w innym miejscu sieci.Jest to dziura o znacznej ruchliwości.Takie niobsadzone stany nazywamy stanami akceptorowymi (accept - przyjmować),a związane z nimi poziomy energetyczne - poziomami akceptorowymi.Półprzewodnik po domieszkowaniu go akceptorami staje się półprzewodnikiem typu p.
Dioda półprzewodnikowa powstaje przez zetknięcie dwóch półprzewodników o różnych rodzajach przewodności niesamoistnej.Granica zetknięcia półprzeweodnika typu n nosi nazwę złącza p-n.Uzyskać można w jednym krysztale,jeżeli wytworzyć w nim dzięki odpowiednim domieszkom obszary o przewodności p,n.Złącze p-n znajduje się w obudowie metalowej chroniącej go przed uszkodzeniami mechanicznymi i wpływami atmosferycznymi.
W obszarze złącza p-n elektrony przechodzą z półprzewodnika typu n do p , natomiast dziury w kierunku przeciwnym.Zjawisko to nazywamy dyfuzją niśników ładunku , a jego przyczyną jest różnica koncentracji nośników po obu stronach złącza.
W wyniku tego procesu w cienkim obszarze półprzewodnika typu n wystąpi nadmiar ładunku dodatniego.Natomiast w obszarze półprzewodnika typu p wystąpi nadmiar ładunku ujemnego.Tak więc warstwa podwójna wytwarza lokalne pole elektryczne Enp o kierunku od typu n do p przeciwdziałające dalszej dyfuzji nośników ładunku.
Natężenie prądu I płynącego przez złącza p-n pod wpływem przyłączonego z zewnątrz napięcie U wyraża się następującym wzorem:
I = Is { exp [ | e | (U/kT)] - 1 }
gdzie: Is - tzw.prąd nasycenia;
e - ładunek elementarny;
k - stała Boltzmanna.
W kierunku przewodzenia ( U > 0 ) prąd ( I > 0 ) wzrasta gwałtownie ze wzrostem napięcia , a w kierunku zaporowym ( U < 0 ) prąd ( tu I < 0 ) szybko osiąga wartość ekstremalną ( I = - Is) .
2. POMIARY :
-pomiar charakterystyki prądowo-napięciowej diody w kierunku zaporowym ;
-pomiar charakterystyki prądowo-napięciowej w kierunku przewodzenia ;
3.OBLICZENIA:
-wyznaczanie rezystancji różniczkowych diody:
4.
WNIOSKI : Celem ćwiczenia było zbadanie właściwości złącza p-n,wyznaczenie charakterystyki prądowo-napięciowej diodyzarówno dla kierunku przewodzenia jak i zaporowego oraz wyznaczenie współczynników Is i β charakteryzujących dane złącze p-n.Ćwiczenie zostało zrealizowane w pełni.Ogólnie wyniki pomiarów i opracowane na ich podstawie wykresy i współczynniki są zgodne z oczekiwaniami.W kierunku przewodzenia prąd złącza jest rzędu kilkuset miliamperów,zaś w kierunku zaporowym
zgodnie z oczekiwaniami jest on mały rzędu kilkudziesięciu nanoamperów.Złącze zachowuje się więc prawidłowo.Wyznaczona na podstawie pomiarów charakterystyka prądowo-napięciowa jest kształtem zbliżona do teoretycznej.Nieduża rozbieżność wiąże się z doborem odpowiedniej skali zarówno dla kierunku zaporowego jak i kierunku przewodzenia.Przy pomiarach w kierunku zaporowym nie zbliżono się do wartości prądu Is złącza.W kierunku przewodzenia rezystancja dynamiczna diody wyznaczona na podstawie charakterystyki prądowo-napięciowej jest mała rzędu pojedynczych miliomów.Jest ona większa dlatego zakresu napięć,gdzie charakterystyka jest bardziej płaska(mniejsze napięcia polaryzują z diodą).Dla kierunku zaporowego rezystancja dynamiczna złącza jest duża rzędu kilkuset megaomów.Oznacza to,że złącze zachowuje się prawidłowo i nie zostało przebite.Wyznaczenie parametrów charakteryzujących złącze p-n na nastąpilo podstawie zależności lnI=f(U).Prąd Is jest rzędu około 17 [μA],a dokładnie 16,7[μA].
Pomiary zostały przeprowadzone z pewną dokładnością,która wiązała się z dokładnością odczytu wyników z przyrządów oraz określoną dokładnością przyrządów pomiarowych.Na dokładność przeprowadzonych pomiarów mógł mieć również wpływ stopień doświadczenia przeprowadzającego pomiary,jego znajomość i umiejętność posługiwania się przyrządami.Nastąpiły również małe kłopoty natury mechanicznej związane z połączeniami kablowymi przyrządów,co również mogło mieć wpływ na odczyt wyników.