Bartłomiej Kot

I BZ LP-2

Gr. 8

Ćwiczenie 29

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. la i b)

Rys. 1. Schemat złącza p-n (a), potencjał elektryczny po zetknięciu dwóch półprzewodników

typu/? 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/? 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 (E_zew = 0), 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 AV + U, 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 mniej szościowych.

Rys. 2. Polaryzacja złącza: a) w kierunku przewodzenia, b) w kierunku zaporowym

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 AV-U, 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:

gdzie: / - prąd płynący przez złącze p-n diody, Iq - całkowity prąd mniejszościowy,

q - ładunek elektronu,

T - temperatura w skali Kelwina

III. Wykonanie ćwiczenia

1. W celu wyznaczenia charakterystyki diody półprzewodnikowej zmontować obwód według schematu pokazanego na rys. 3.

Rys, 3. Zdejmowanie charakterystyki diody półprzewodnikowej: a) w kierunku zaporowym,

b) w kierunku przewodzenia

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 O,1V odczytać odpowiednie wartości natężenia prądu przewodzenia wskazywane przez miliamperomierz.

---