DIODA PÓŁPRZEWODNIKOWA

Cel: Wyznaczenie charakterystyki prądowo-napięciowej diody półprzewodnikowej.

Przyrządy: woltomierz, miliamperomierz, mikroamperomierz, opornik, źródło stałej SEM.

Wprowadzenie teoretyczne

Dioda półprzewodnikowa to rzeczywiste złącze p-n. Złączem p-n nazywamy warstwę rozgraniczającą półprzewodnik typu „p” od półprzewodnika typu „n”. W półprzewodniku typu „n” jest większa koncentracja elektronów (nośniki większościowe), a w półprzewodniku typu „p” większa koncentracja dziur. Rozpatrzmy przebiegi fizyczne w złączu p-n.

Po zetknięciu półprzewodników typu „n” i „p” obserwujemy procesy dążące do wyrów­nania koncentracji swobodnych nośników ładunku w obu obszarach półprzewodnika. Elektrony dyfundują z obszaru „n” do „p”, a dziury z obszaru „p” do „n”. W wyniku tego pro­cesu w pobliżu granicy złącza zanikają swobodne nośniki ładunku, a pozostają jedynie nieru­chome jony domieszek w węzłach sieci krystalicznej półprzewodnika. Po obu stronach granicy złącza pojawiają się ładunki o różnych znakach. W półprzewodniku typu „n” pojawia się ładu­nek przestrzenny dodatni - tworzą go dodatnie jony domieszki donorowej. W pół­przewodniku typu „p” powstaje ujemny ładunek przestrzenny - tworzą go ujemne jony domieszki akceptorowej.

Rozkład ładunku przestrzennego w obszarze złącza pokazany jest na rys.1. Wskutek istnienia ładunków elektrycznych na złączu p-n powstaje statyczna różnica potencjałów, nazy­wana „barierą potencjału”. Potencjał obszaru „n” jest wyższy od potencjału obszaru „p” (rys.1c). W następstwie tego średnia energia elektronów w obszarze „n” obniża się, a w obsza­rze „p” podwyższa się - doprowadza to do wyrównania poziomów Fermiego w obu obszarach. Model pasmowy złącza p-n pokazany jest na rys.1e. Powstałe w obszarze złącza pole elek­tryczne ma zwrot od „n” do „p” (rys.1d). Pole to przeciwdziała dyfuzji nośników większo­ściowych, natomiast sprzyja przepływowi nośników mniejszościowych w kierunku przeciwnym do ruchu dyfuzyjnego nośników większościowych. W stanie równowagi termicznej przez złącze p-n płyną dwa prądy: prąd dyfuzyjny - J_D oraz prąd wsteczny - J_W. Prąd dyfuzyjny J_D utworzony jest przez ruch nośników większościowych: elektronów z „n” do „p” i dziur z „p” do „n”. Prąd wsteczny - J_W , to ruch nośników mniejszościowych: dziur z „n” do „p”, elektro­nów z „p” do „n”. W stanie równowagi termicznej natężenie tych prądów są sobie równe.

Obszar złącza p-n jest pozbawiony swobodnych nośników ładunku, ma zwiększoną oporność i nazywany jest warstwą zaporową. Szerokość tej warstwy jest rzędu jednego mikrometra. Doprowadzenie do złącza p-n zewnętrznego napięcia wywołuje zmianę: szerokości warstwy zaporowej, wysokości bariery potencjału, natężenia pola elektrycznego oraz natężenia prądu dyfuzyjnego J_D.

Jeżeli do obszaru „n” zostanie podłączony dodatni biegun źródła SEM, a do obszaru „p” - ujemny, to wówczas zewnętrzne pole elektryczne E ma zwrot zgodny z polem E₀ wytwo­rzonym przez ładunek przestrzenny złącza (rys.2d. Swobodne nośniki większościowe, pod działaniem sił pola elektrycznego, odpływają z obszaru otaczającego warstwę zaporową - wzrasta jej szerokość (rys.2ab), zwiększa się tym samym opór wewnętrzny złącza. Mówimy,

Rys.1. Złącze p-n niespolaryzowane: Rys.2. Złącze p-n spolaryzowane w kierunku

1. model fizyczny złącza, b) rozkład ładunku zaporowym (a - e jak na rys.1).

przestrzennego, c) rozkład napięcia w stosunku

do powierzchni granicznej, d) rozkład pola elek-

trycznego, e) model pasmowy złącza p-n oraz

kierunki przepływu prądów - dyfuzyjnego J_D

(ładunków większościowych) i wstecznego J_W

(ładunków mniejszościowych).

że złącze p-n zostało spolaryzowane w kierunku zaporowym. Bariera potencjałów tak spolary­zowanego złącza zostaje zwiększona o U - napięcie zewnętrzne i jest równa sumie napięć U+U₀ (rys.2c). Zwiększone pole elektryczne w warstwie zaporowej przeciwdziała prądowi dyfuzyjnemu J_D, prąd ten maleje (rys.2e) i przy napięciu zewnętrznym rzędu dziesiątych części wolta zupełnie zanika. Pole to natomiast sprzyja przepływowi prądu wstecznego - natężenie jego jest niewielkie (10^-6 - 10^-7A) i nieznacznie zależy od przyłożonego napięcia. Prąd J_W zależy od temperatury złącza, tzn. od koncentracji nośników mniejszościowych.

Jeżeli do obszaru „n” zostanie podłączony ujemny biegun źródła SEM, a do „p” dodatni, wówczas mówimy, że złącze p-n zostało spolaryzowane w kierunku przewodzenia.

Zewnętrzne pole elektryczne E ma zwrot przeciwny do pola E₀, wytworzonego przez ładunek przestrzenny złącza niespolaryzowanego. W wyniku tego zmniejsza się wypadkowe pole elek­tryczne w obszarze złącza (rys.3d), zmniejsza się szerokość warstwy zaporowej (rys.3ab) oraz opór złącza. Bariera potencjału zostaje zmniejszona o U - napięcie zewnętrzne, przyłożo -

Rys.3. Złącze p-n spolaryzowane w kie- Rys.4. Charakterystyka prądowo-napięciowa

runku przewodzenia (a-e jak na rys.1). diody półprzewodnikowej.

ne do złącza i jest równa U₀ - U (rys.3c). W wyniku zmniejszenia spadku napięcia na warstwie zaporowej, maleje natężenie pola elektrycznego ograniczającego dyfuzję nośników większo­ściowych Im bardziej wzrasta napięcie zewnętrzne, tym bardziej zmniejsza się bariera poten­cjału - tym samym wzrasta dyfuzja, a z nią prąd płynący przez złącze w kierunku przewodzenia (rys.3e).

Opór złącza w kierunku przewodzenia jest 10³-10⁵ razy mniejszy od oporu w kierunku zaporowym. Złącze p-n charakteryzuje się zdolnością do jednokierunkowego przewodzenia prądu. Rzeczywiste złącza p-n nazywane są diodami półprzewodnikowymi. Statyczna charak­terystyka prądowo-napięciowa takiej diody przedstawiona jest na rys. 4.

Zależność prądu złącza od przyłożonego napięcia zewnętrznego z dobrym przybliże­niem opisuje teoretycznie znaleziona funkcja:

gdzie:

J_s - natężenie maksymalnego dopuszczalnego prądu w kierunku zaporowym

U - napięcie przyłożone do złącza

T - temperatura złącza

q - ładunek elektronu

k - stała Boltzmana.

Na charakterystyce prądowo-napięciowej diody półprzewodnikowej wyróżnia się pewne graniczne wartości napięć i prądów, których osiągnięcie lub przekroczenie może być przyczyną uszkodzenia diody w sposób trwały lub czasowy. Dla kierunku zaporowego podaje się:

U_rg - napięcie przebicia diody,

U_rd - maksymalne dopuszczalne napięcie w kierunku zaporowym (U_rd = 0,8 U_rg),

J_s - natężenie maksymalnego dopuszczalnego prądu; a dla kierunku przewodzenia:

J_F - natężenie prądu płynącego pod wpływem napięcia U_F = 0,5V lub U_F = 1V,

T_jd - dopuszczalna temperatura złącza,

J_{o max} - dopuszczalny prąd średni, jaki może płynąć przez diodę w kierunku

przewodzenia,

J_s - dopuszczalny prąd szczytowy, jaki może płynąć przez diodę w kierunku

przewodzenia.

a) b)

Rys.5. Schemat układu do zdejmowania charakterystyki prądowo-napięciowej diody półprze­wodnikowej: a) w kierunku przewodzenia, b) w kierunku zaporowym, gdy nie korzystamy z zasilacza używanego zestawie do wykonania ćwiczenia.

Przebieg pomiarów

1. Połączyć diodę germanową z zasilaczem wg schematu z rys.6. Czołową płytę zasilacza przedstawia rys.7.

2. Wcisnąć przycisk 400 mA oraz włączyć przełącznik „sieć”. Zmieniając pokrętłem poten­cjometru napięcie co 0,1 V odczytywać natężenie prądu płynącego przez diodę. Z chwilą gdy amperomierz pokaże 400 mA zacznie mrugać lampka z oznaczeniem „+”. Należy natychmiast przerwać pomiary i zmniejszyć napięcie do 0 V, ponieważ została prze­kroczona dopuszczalna wartość natężenia płynącego prądu.

3. Wyniki pomiarów wpisać do tabeli.

Rys.6. Schemat układu pomiarowego: Rys.7. Płyta czołowa zasilacza.

Z - zasilacz, D - dioda.

Tabela.

Kierunek przewodzenia
	Dioda germanowa		Dioda krzemowa
Lp.	U	I	U	I
	[V]	[mA]	[V]	[mA]
1.
2.
...
Kierunek zaporowy
	Dioda germanowa
Lp.	U	I
	[V]	[μA]
1.
2.
...

4. W celu wyznaczenia charakterystyki prądowo-napięciowej diody germanowej w kierunku zaporowym należy odwrotnie podłączyć diodę do zasilacza, wcisnąć przycisk 40 μA i zmie­niając napięcie potencjometru odczytać wartość natężenia płynącego prądu.

5. Wartości natężenia płynącego prądu należy odczytywać dla następujących wartości napię­cia: 0 V; 0,1 V; 0,2 V; 0,5 V; 1 V; 2 V; 4 V; 8 V; 16 V.

6. Wyniki wpisać do tabeli.

7. Identyczne pomiary przeprowadzić dla diody krzemowej. Należy jednak pamiętać, że kieru­nek przewodzenia jej elektrody ujemnej (katody) jest oznaczony niebieską kropką.

8. Na podstawie uzyskanych wyników wykreślić na jednym arkuszu papieru milimetrowego charakterystyki prądowo-napięciowe dla obu typów diod.

9. Na podstawie wykresów wyznaczyć opór wewnętrzny obu diod w kierunku przewodzenia i w kierunku zaporowym dla prostoliniowych odcinków charakterystyki.

10. Pomiary dokonane przy pomocy mierników cyfrowych są bardzo dokładne, błędy nie prze­kraczają 0,3% wartości mierzonej. Możemy więc przyjąć, że pomiary nie są obarczone istotnym błędem, zwłaszcza, że odczytywana z mierników wartość natężenia prądu jest cią­gle zmienna. Wynika to z pracy elementu półprzewodnikowego (wpływ temperatury na płynący przez diodę prąd).

Zagadnienia

Teoria pasmowa ciała stałego. Model pasmowy izolatora, półprzewodnika i przewodnika. Poziom Fermiego. Półprzewodnik samoistny - schemat pasmowy w T = 0 K i T > 0 K. Półprzewodniki domieszkowe typu „n” i „p” - schematy pasmowe T = 0 K i T > 0 K. Złącze p-n spolaryzowane w kierunku przewodzenia. Złącze p-n spolaryzowane w kierunku zaporowym. Charakterystyka prądowo-napięciowa diody półprzewodnikowej. Wyznaczenie charakterystyki diody - schemat układów pomiarowych.

Literatura

M. Skorko: Fizyka. PWN. Warszawa 1976. Par. par. 32.8, 32.13, 32.15, 32.16.

6

---