NAZWISKO: DRYNIAK IMIE: HENRYK KIERUNEK:FIZYKA Z MATEMATYKĄ ROK STUDIÓW: II GRUPA LABORATORYJNA: III		WYŻSZA SZKOŁA PEDAGOGICZNA W RZESZOWIE I PRACOWNIA FIZYCZNA
				WYKONANO		ODDANO
				DATA	PODPIS	DATA	PODPIS
Ćwiczenie Nr: 83a	Temat: Charakterystyka elementów półprzewodnika.

Diody półprzewodnikowe.

Diodą półprzewodnikową nazywa się element, w którym wykorzystuje się zjawisko fizyczne występujące w złączach p-n. Złącze p-n tworzy się dzięki wypełnieniu jednej części kryształu, np. germanu lub krzemu, domieszkami, które dają elektrony swobodne, zaś drugiej części tego kryształu-domieszkami dającymi nadmiar dziur.

W złączu p-n w miejscu zmiany typu przewodnictwa półprzewodnika (tj. na styku obszarów p i n) istnieje wewnętrzne pole elektryczne, skierowane w taki sposób, że zapobiega dyfuzji elektronów z obszaru n (gdzie jest ich dużo)do obszaru p (gdzie jest ich mało) oraz dziur
z obszaru p do obszaru n.

To wewnętrzne pole elektryczne, zwane barierą potencjału, wytwarzają zgromadzone po obu stronach granicy warstw, ładunki elektryczne o przeciwnym znaku do nośników większościowych warstwy. Tak więc po stronie warstwy p są zgromadzone ładunki ujemne, zaś po stronie warstwy n - ładunki dodatnie. Uproszczony mechanizm fizyczny zjawisk prowadzących do powstania bariery potencjału w złączu p-n przy braku napięcia zewnętrznego jest następujący. Duża koncentracja nośników, zarówno większościowych jak
i mniejszościowych, występująca na granicy warstw powoduje silną dyfuzję nośników w obu kierunkach. Dziur z warstwy p przedostają się do warstwy n i zanikają wskutek rekombinacji pozostawiając w warstwie p jony o ujemnym ładunku przy liczbie dziur niewystarczającej do neutralizacji pola. Analogicznie elektrony przedostające się z warstwy n do warstwy p zanikają w tej drugiej warstwie wskutek rekombinacji z dziurami. W warstwie n pozostają jony o ładunku dodatnim przy liczbie elektronów niewystarczającej do zneutralizowania powstałego pola elektrycznego. W wyniku tego mechanizmu w złączu p-n można wyróżnić trzy obszary przedstawione schematycznie na rys.1: obszar p elektrycznie obojętny, warstwa zaporowa (w której występuje bariera potencjału ), oraz obojętna elektrycznie warstwa n.

Rys.1. Złącze p-n.

Gdy do złącza p-n doprowadzi się - za pomocą dwóch elektrod przyłożonych do warstw p i n półprzewodnika- napięcie źródła, którego biegun dodatni zostanie połączony z elektrodą warstwy p (elektrodą p), a ujemny z elektrodą warstwy n (elektrodą n),wówczas bariera potencjału ulegnie obniżeniu. Umożliwi to dyfuzję elektronów z obszaru n do obszaru p.

Taką polaryzacją zewnętrzną nazywa się kierunkiem przewodzenia.

Przy przeciwnym do opisanego połączeniu złącza p-n ze źródłem napięcia, bariera potencjału zwiększy się. Popłynie wtedy niewielki prąd w kierunku przeciwnym. Jest on wywołany tym, że zwiększone wskutek polaryzacji zewnętrznej pole elektryczne w warstwie przejściowej wyciąga dziury z obszaru n oraz elektrony z obszaru p. dziur w obszarze n jest mało (podobnie jak elektronów w obszarze p) i dlatego prąd ma małą wartość. Taką polaryzację określa się jako kierunek zaporowy.

Dioda półprzewodnikowa ma, więc właściwości jednokierunkowego przewodzenia i po włączeniu jej w obwód zasilany napięciem przemiennym, działa jak prostownik jednopołówkowy rys.2

Rys.2. Przebiegi napięcia: a) przed wyprostowaniem;

b) po wyprostowaniu przez diodę półprzewodnikową

Właściwości diody półprzewodnikowej określa jej charakterystyka prądowo-napięciowa rys.3

Rys.3. Charakterystyka prądowo - napięciowa diody półprzewodnikowej.

Przy przepływie prądu w kierunku przewodzenia rezystencja złącza p-n jest niewielka i na diodzie występuje niewielki spadek napięcia ΔU (ok.. 1V). Przy zwiększaniu napięcia
w kierunku zaporowym prąd wsteczny wzrasta w niewielkim stopniu, gdyż dioda ma wtedy bardzo dużą rezystencję (rzędu 10⁶ Ω). Jednak po przekroczeniu pewnej wartości tego napięcia (napięcia wstecznego) prąd wsteczny gwałtownie wzrasta. Dla niektórych typów diod krzemowych napięcie wsteczne dochodzi do 1200 V. Prądy znamionowe diod zawierają się w granicach od ułamków ampera do setek amperów.

Przy przepływie prądu przez diodę wydziela się ciepło Joul'a. Dla polepszenia oddawania ciepła do otoczenia stosuje się radiatory. Widok diody półprzewodnikowej bez i z radiatorem przedstawiono na rys.4.

Rys.4. Dioda półprzewodnikowa: a) bez radiatora;

b) z radiatorem

Oprócz zwykłych diod prostowniczych w układach elektronicznych stosuje się również diody specjalne, do których należą m.in. diody Zenera.

W diodzie Zenera wykorzystuje się część zaporową charakterystyki I=f(U) rys.5.

Rys.5. Charakterystyka prądowo - napięciowa diody Zenera.

Charakterystyka prądu wstecznego w tym zakresie odznacza się dużą stałością, tzn. prąd szybko wzrasta przy prawie stałym napięciu. Stąd też diody Zenera mają zastosowanie
w układach do stabilizacji napięcia, do obcinania lub ograniczenia napięcia.

t

---