Wstęp

Dioda półprzewodnikowa to element elektroniczny, który składa się ze złącza pn. Pozwala on, dzięki specyficznym właściwościom takiego złącza, na przewodzenie prądu w jednym kierunku - tzw. kierunku przewodzenia, natomiast nie przewodzi prądu w kierunku przeciwnym - kierunku zaporowym.

Istota działania złącza pn, i w konsekwencji diody półprzewodnikowej, tkwi w różnicy koncentracji ładunków w obu typach złącza. W półprzewodniku typu n nośnikami nadmiarowymi ładunku są elektrony, natomiast w półprzewodniku typu p - dziury („luki” w wiązaniach sieci krystalicznej nie zapełnione elektronami). Na granicy kontaktu tych półprzewodników dochodzi do dyfuzji nośników większościowych. Elektrony dyfundują do obszaru typu p, natomiast dziury przechodzą do obszaru typu n. Powoduje to powstanie objętościowego ładunku dodatniego w obszarze typu n oraz ujemnego w obszarze typu p. Powstaje różnica potencjałów i tworzy się przez to tzw. warstwa zaporowa.

Po przyłożeniu zewn. pola elektrycznego może dochodzić do poszerzania się tej warstwy lub jest zwężania. O ile przyłoży się z zewnątrz potencjał ujemny do części p oraz dodatni do części n, nastąpi zwiększenie grubości warstwy zaporowej - natężenie pola zewnętrznego oraz między powstałego wskutek dyfuzji nośników większościowych się dodadzą.

Gdy przyłożymy ujemny potencjał do części n, natomiast do części p dodatni, nastąpi zniesienie wewnętrznego napięcia między warstwą półprzewodnika typu p i n i dojdzie do przepływu prądu.

Punkt w którym to się dzieje następuje dla diody krzemowej dla napięcia w kierunku przewodzenia o wartości od 0,5 do 0,8 V. Gdyby polaryzować diodę w kierunku zaporowym, będzie płynął tylko prąd zaporowy powodowany ruchem ładunków mniejszościowych. Ma on bardzo małą wartość, jednak powyżej pewnej granicy napięcia wstecznego dochodzi do gwałtownego wzrostu natężenia prądu - ma miejsce przebicie o naturze lawinowej (niszczące) lub elektrostatyczne (Zenera - nie niszczy diody).

Przebicie Zenera ma wykorzystanie w diodzie Zenera - dla takiej diody normalnym stanem pracy jest stan spolaryzowania wstecznego. Powyżej tzw. napięcia Zenera, czyli napięcia granicznego przebicia Zenera, charakterystyka prądowo - napięciowa diody staje się niemalże pionowa. Oznacza to, że niezależnie od zmian natężenia napięcie na diodzie będzie stałą wartością. Ma to wykorzystanie w układach stabilizujących napięcie tętniące otrzymywane np. w wyniku wyprostowania układem opartym na mostku Graetza i kondensatorze i filtrującym.

Diodą krzemowa to element elektroniczny nieliniowy - nie spełnia ona prawa Ohma. Zależność natężenia prądu płynącego przez diodę od przyłożonego do niej napięcia jest dana następującym wzorem:

Gdzie: I_D - prąd diody, I₀ - prąd zaporowy, e - ładunek elektronu, U_D - napięcie przyłożone do diody, k - stała Boltzmanna, T - temperatura, n - współczynnik zależny od domieszkowania i rodzaju diody

1. Maksymalna szacowalna na podstawie pomiarów wartość prądu zaporowego dla diody wynosi:

2. Obliczenie potencjału termicznego ϕ oraz napięcia zaporowego I_0.

3. Wartość napięcia Zenera:

Wnioski

1. Maksymalna oszacowana wartość natężenia zaporowego dla diody prostowniczej wynosi
   .

2. Charakterystyka prądowo - napięciowa dla diody prostowniczej spolaryzowanej w kierunku przewodzenia układa się w ogólnie obserwowaną dla diod krzywą wykładniczą. Logarytm natężenia prądu płynącego przez diodę w funkcji napięcia na diodzie stanowi zależność prostoliniową. Dopasowanie liniowe wykonane dla tej zależności pozwoliło oszacować potencjał termiczny oraz prąd zaporowy.

Potencjał termiczny stanowi wartość dość prawdopodobną. Tablicowo wyrażenie na potencjał termiczny określony zależnością kT/e wynosi w temp. pokojowej 26 mV. Wartość otrzymana przez nas dla wyrażenia nkT/e wynosi 39,5 mV, co pozwala sądzić iż współczynnik n dla użytej diody wynosi n=1,52.

3. Natężenie zaporowe jest bardzo małe, rzędu pikoamperów. Jest to wynik mocno prawdopodobny, gdyż wartości prądu powodowanego ruchem nośników mniejszościowych dla diod są bardzo małe.

4. Napięcie Zenera dla diody Zenera wynosi ok. -6,2 V. Jest to wartość prawdopodobna, gdyż napięcia dla diod Zenera najczęściej znajdują się w granicach od 5 do nie więcej niż 8 woltów, gdyż powyżej tej granicy następuje niszczące przebicie lawinowe.

W kierunku przewodzenia dioda Zenera wykazuje gwałtowny spadek oporu w okolicy napięcia ok. 0,7V. Charakterystyka prądowo - napięciowa tej diody jest w kierunku przewodzenia analogiczna do charakterystyki diody prostowniczej.

W kierunku zaporowym widoczny jest ostry wzrost natężenia dla napięć poniżej -6,2 V, gdyż dochodzi w diodzie do przebicia Zenera.

Tak silnie pionowa charakterystyka dla diody Zenera determinuje jest zastosowanie w układach stabilizujących tętniące napięcia zmienne, gdyż niezależnie od obciążenia napięcie na zaciskach diody Zenera pozostaje stałe.

---