I TD 10.10.2006

Laboratorium z fizyki

Ćw. nr : 29

Zdejmowanie charakterystyki diody półprzewodnikowej

Krzysztof Sołtysik

L 5

1. Wstęp teoretyczny:

Półprzewodnikami nazywane są substancje, których przewodnictwo elektryczne zawiera się w granicach:10⁴-10^-5 Ω^-1cm^-1 Najbardziej typowymi półprzewodnikami są german, Ge i krzem Si. Zewnętrzna powłoka elektronowa atomów tych pierwiastków składa się z czterech elektronów wirujących wokół jądra, przy formowaniu się kryształu atomy zbliżają się do siebie na, tyle, że ich zewnętrzne tory elektronowe wzajemnie zachodzą na siebie. Prowadzi to do tego, że elektrony walencyjne sąsiednich atomów stają się elektronami wspólnymi. W temperaturze bliskiej zera absolutnego półprzewodnik zachowuje się jak izolator, wszystkie elektrony są związane i jesli w tym stanie znalazłby się w polu elektrycznym, to prąd elektryczny w nim nie popłynie, gdyż nie ma w nim elektronów swobodnych. Taką sieć mają czyste półprzewodniki zwane samoistnymi. Jeśli w siatkę półprzewodnika czystego wprowadzimy atomy pierwiastka pięciowartościowego, np.arsenu As, fosforu P lub antymonu Sb, to otrzymamy półprzewodnik domieszkowy typu n, w którym o przewodnictwie decydują elektrony. Jeśli w charakterze domieszki weżmiemy trójwartościowy pierwiastek, np. ind In, gal Ga, aluminium Al lub bor B, to wówczas trójwartościowy atom umieszczony w węźle siatki przastrzennej może zapełnić tylko trzy wiązania walencyjne sąsiednich atomów. W tym wypadku nośnikami większościowymi są dziury, a taki półprzewodnik nazywamy półprzewodnikiem typu p. w których o przewodnictwie decydują dziury. Złącze p-n lub n-p. stanowią dwa półprzewodniki, jeden typu n, a drugi typu p zetknięte ze sobą. Jeśli źródło napięcia zewnętrznego dołączymy w ten sposób, że natężenie pola zewnętrznego będzie miało ten sam zwrot, co pole napięcia kontaktowego to pod działaniem pola elektrycznego źródła zewnętrznego dziury i elektrony są odciągane od granicy zetknięcia złącza w głąb przewodnika w rezultacie szerokość warstwy zaporowej wzrasta, wraz z jej oporem, a natężenie prądu dyfuzji elektronów z obszaru n do obszaru p i dziur z obszaru p do n ze wzrostem napięcia szybko maleje do zera. Natomiast płynie pewien prąd unoszenia, ponieważ w obszarach sąsiadujących z warstwą zaporową znajduje się pewna niewielka liczba nośników mniejszościowych: w obszarze p są to elektrony,a w obszarze n dziury. Prąd ten nazywa się prądem cieplnym, zatem w przypadku połączenia w kierunku zaporowym, prąd złącza wyraża się w przybliżeniu jako prąd cieplny:

I_{p -n} = I_dyf - I_u≈ I_u

W przypadku kierunku przewodzenia, źródło prądu dołącza się tak, że natężenie pola zewnętrznego jest przeciwne w stosunku do pola napięcia kontaktowego. W tym przypadku napięcie zewnętrzne odejmuje się od napięcia kontaktowego, bariera potencjału między obszarami p i n obniża się, a wiec dyfuzja nośników większościowych do obszaru po przeciwnej stronie złącza jest znacznie ułatwiona. Przez złącze płynie prąd I_{p - n} w przybliżeniu równy prądowi dyfuzji:

I_{p -n} = I_dyf - I_u ≈I_dyf

2.Wykonanie ćwiczenia:

• Celem ćwiczenia jest wyznaczenie charakterystyki prądowo napięciowej diody półprzewodnikowej w kierunku przewodzenia i w kierunku zaporowym.

• Schemat układu pomiarowego:

Układ pozwala na dołączenie na zaciski diody półprzewodnikowej regulowanego napięcia stałego w dwóch kierunkach.

• Pomiary wykonano według schematu pomiarowego, gdzie napięcie dołączone do zacisków ± było regulowane zasilaczem laboratoryjnym napięcia stałego.

• Do ćwiczenia zostały wykorzystane następujące przyrządy:

-zasilacz laboratoryjny napięcia stałego

-dioda półprzewodnikowa

-dzielnik napięcia

-amperomierze analogowe: kl-0,5 zakres 150uA

kl-0,5 zakres 7,5mA

-woltomierze analogowe: kl-0,5 zakres 0,75V

kl-0,5 zakres 15V

3.Tabela z wynikami pomiarów:

Wyniki w kierunku przewodzenia:

U	[V]	0,1	0,2	0,3,	0,4	0,5
I	[uA]	0,3	3,1	6,1	50	75

Wyniki w kierunku zaporowym:

U	[V]	0,01	0,02	0,03	0,04	0,08	0,1	0,3	0,5	1	3	6	9
I	[uA]	1	2	3	4	4	5	5	5	6	6	6	6

4.Obliczenia:

Wyznaczenie błędów pomiarów:

Błędy wyliczone dla pomiarów w kierunku przewodzenia:

Dla napięcia mierzonego na zakresie 0,75V:

Oraz dla zakresu 7,5mA:

Błędy wyliczone dla pomiarów w kierunku zaporowym:

Dla napięcia mierzonego na zakresie 0,75V:

Dla napięcia mierzonego na zakresie 15V:

Dla prądu dla zakresu 150 μA:

5.Wykresy:

Dioda w kierunku przewodzenia z zaznaczonymi błędami pomiaru:

Zależność: I=f(U)

Dioda w kierunku zaporowym z zaznaczonymi błędami pomiaru:

Zależność: I=f(U)

6.Wnioski:

Celem ćwiczenia było wyznaczenie charakterystyki prądowo napięciowej diody półprzewodnikowej. Przy dużej zmianie wartości napięcia wstecznego przy pomiarze w kierunku zaporowym po przekroczeniu pewnej wartości około 0,6-0,7V wartość prądu mimo wzrostu wartości napięcia prawie się nie zwiększała i wynosiła około 6 μA. W kierunku przewodzenia po przekroczeniu pewnej wartości napięcia wynoszącej około 0,4V prąd zaczął gwałtownie wzrastać wraz ze wzrostem napięcia. Wykonane wykresy są obarczone dużymi błędami z powodu bardzo małej dokładności przyrządów pomiarowych.

5

---