Wstęp teoretyczny.

Półprzewodniki są to substancje o przewodności elektrycznej mniejszej niż przewodność metali, ale większej od większości izolatorów. W modelu pasmowym charakteryzują się istnieniem przerwy energetycznej oddzielającej pasmo walencyjne od pasma przewodnictwa o szerokości do 1eV. Charakteryzują się również tym że ze wzrostem temperatury maleje ich opór elektryczny. Przykładem półprzewodników są krzem i german jak i związki pierwiastków grup trzeciej i piątej lub drugiej i szóstej układu okresowego. Przez domieszkowanie można otrzymać półprzewodniki domieszkowe. Poprzez domieszkowanie trójwartościowym pierwiastkiem otrzymujemy typ akceptorowy. W przerwie energetycznej samoistnego półprzewodnika pojawiają się poziomy akceptorowe tuż ponad górną granicą pasma walencyjnego, co powoduje zwężenie przerwy energetycznej. Dzięki temu elektrony z pasma walencyjnego mogą przejść do pustych stanów akceptorowych (nazywanych dziurami). Dziury mogą przenosić dodatni ładunek elektryczny. Są to półprzewodniki typu p.

Półprzewodniki donorowe powstają przez domieszkowanie atomami z piątej grupy układu okresowego. Uzyskamy pojawienie się w przerwie energetycznej, tuz pod dnem pasma przewodzenia poziomów donorowych. Elektrony z tych poziomów łatwo mogą przechodzić do pasma przewodzenia. Są to półprzewodniki typu n.

Złącze półprzewodnikowe p-n to złącze prostujące na styku dwóch półprzewodników o różnym stopniu przewodnictwa. Zrobione jest z półprzewodnika typu n w jednej części zmienionego w p. typu p. Otrzymujemy parę nośników elektron dziurę. Powstają poprzez przeskok elektronu z pasma podstawowego do pasma przewodnictwa. Zaistnieje też proces rekombinacji - zanikania nośników prądu w półprzewodniku na skutek ich połączenia się lub połączenia z jonem przeciwnego znaku. Towarzyszy temu wydzielanie energii.

Przez ustalenie się równowagi między rekombinacji i tworzenia się nośników powstaną nośniki mniejszościowe, liczba ich uzależniona jest od temperatury. Po zetknięciu się obu części zacznie się wyrównywać stężenie nośników we wszystkich pasmach przewodzenia. Z części p popłyną dziury do n w paśmie podstawowym, a w paśmie przewodnictwa elektrony przepłyną z n do p. Półprzewodnik p ładuje się ujemnie, a typu n dodatnio aż do wyrównania poziomów Fermiego w złączu. Ustala się równowaga dynamiczna w której w paśmie przewodnictwa prąd większościowy płynie I_en z półprzewodnika n do p i równy jest prądowi mniejszościowemu I_ep płynącemu z p do n. W paśmie podstawowym prąd większościowy z dziur I_dp płynie od p do n. W przeciwnym kierunku płynie prąd I_dn równy co do wartości.

Charakterystyka prądowo-napięciowa diody Ge i Si charakteryzuje się tym że w kierunku wstecznym (zaporowym) przewodzenie jest wzbronione. W kierunku przewodzenia następuje wykładniczy wzrost funkcji.

Prostownik służy do zamiany energii z zasilającego prądu zmiennego na energię prądu stałego. W prostych układach zasilających na wyjściu otrzymuje się napięcie jednokierunkowe o amplitudzie zmieniającej się okresowo w czasie. Układy bardziej rozbudowane składają się dodatkowo transformatory, filtry, stabilizatory. Pomaga to w odpowiednim doborze napięcia na wyjściu. Dla takiego układu poniższe wykresy przedstawiają typowe przebiegi czasowe działającego układu:

Obraz taki możemy zaobserwować włączając do układu oscylator katodowy. Jest to urządzenie którego głównym elementem jest lampa oscyloskopowa, lampa próżniowa zaopatrzona w wyrzutnię elektronową służącą do uformowania wiązki elektronowej i dwóch par płytek odchylających wiązkę w pożądanym kierunku dzięki przyłożonemu do nich napięciu. Elektrony padają na ekran luminescencyjny powodując świecenie. Sposób ten wizualizuje nam pomiary.

Przy zastosowaniu mniejszych mocy wykorzystuje się prostowniki jednopołówkowe (półfalowe). Co drugi półokres sygnału wejściowego jest przenoszony na wyjście. Przy prądach większych stosuje się prostowniki w doskonalszy sposób wykorzystujące przebieg wejściowy. Są to przyrządy typu dwupołówkowego (całofalowego ). Przy wielkich prądach korzysta się prostowniki wielofazowe.

Napięcie maksymalne odpowiada największej wartości amplitudy prądu zmiennego. Napięcie skuteczne odpowiada amplitudzie napięcia zmiennego (opisanego funkcją sinus lub cosinus) podzielonej przez √2. Odpowiada ono napięciu prądu stałego, który powoduje wydzielenie się na oporniku takiej samej mocy dla danego prądu zmiennego.

II. Opracowanie wyników pomiarów.

Na wykresach zamieszczam otrzymane przebiegi czasowe napięcia dla prądu przemiennego, jak i dla prądów prostowanych jedno i dwupołówkowo.

Zamieszczam też charakterystykę prądowo-napięciową diod krzemowej i selenowej. Dla obu diod odczytuję z wykresu napięcia progowe:

U_Se = [V];

U_Si = [V];

Obliczam wartości napięcia skuteczną i średnią dla prądu przemiennego niewyprostowanego:

U_max = 10 [V];

U_śr = 0 [V];

U_sk = U_max/√2 = 7,07 [V];

III. Wnioski.

Biorąc pod uwagę błędy pomiarów stałej czasowej i napięcia dla których wartość błędu należy przyjąć jako 0,2 działki oscyloskopu trzeba stwierdzić że oscyloskop nie jest najlepszym, ze względu na wartość błędu sięgającą 10 %, przyrządem pomiarowym. Błąd jest dość durzy ze względu na rozdzielczość ekranu, problemy z nastawieniem przebiegu odczytu i szybkim męczeniem się oka. Świetnie natomiast zdaje egzamin jako przyrząd do pokazywania przebiegu prądu, sprawności części i układów elektronicznych. W sposób natychmiastowy i wizualnie bardzo przystępny opisuje badane zjawisko. Świetnie tłumaczy zasadę działania części elektronicznych jak np. w tym ćwiczeniu diody.

Wykonując przybliżoną charakterystykę prądowo-napięciową diod krzemowej i selenowej łatwo zaobserwować różnicę w jakości obu układu. Dioda selenowa przepuszczała tylko w kierunku przewodzenia natomiast w diodzie krzemowej dość szybko w kierunku zaporowym następowało przepuszczenie prądu.

---