Rok akademicki 1997/98	Laboratorium fizyczne.
Nr ćwiczenia: 23	Charakterystyka styku między metalem a półprzewodnikiem typu n.
Wydział Mechaniczny IZK 1 K05 B	Wykonał: Chudzik Dariusz
Data wykonania 12.III.1998 r.	Ocena		Data zaliczenia	Podpis
		T
		S

1. Część teoretyczna.

Przy zetknięciu się półprzewodników o różnych typach przewodzenia powstaje elektryczna warstwa podwójna na skutek przemieszczenia się elektronów i „dziur” przez powierzchnię styku. Elektrony przechodzą z półprzewodnika typu n do półprzewodnika typu p, natomiast „dziury” przemieszczają się w kierunku przeciwnym. Warstwa półprzewodnika typu p traci elektrony i ładuje się dodatnio, natomiast półprzewodnik typu n uzyskuje nadmiarowy ładunek ujemny. Między półprzewodnikiem typu p i półprzewodnikiem typu n tworzy się kontaktowa różnica potencjałów. W półprzewodniku typu p niemal całkowicie brak swobodnych elektronów, w związku z czym opór elektryczny warstwy jest znacznie większy niż pozostałej części półprzewodnika. Warstwę taką nazywamy warstwą zaporową. Gdy do warstwy zaporowej przyłożymy zewnętrzne pole elektryczne źródła prądu w kierunku zgodnym z kierunkiem pola stykowej warstwy zaporowej to pole zewnętrzne będzie wówczas wzmacniać pole warstwy stykowej i spowoduje powiększenie wału potencjału dla elektronów i „dziur” przechodzących przez miejsce styku. Pole wewnętrzne wywoła również ruch elektronów w półprzewodniku typu n oraz „dziur” w półprzewodniku typu p w przeciwnych kierunkach (od miejsca styku). Pociągnie to wzrost grubości warstwy zaporowej, a tym samym wzrost oporu. W tym kierunku prąd elektryczny nie przepływa. Jeżeli zmienić kierunek przyłożonego napięcia to w obszarze styczności będzie wzrastać liczba ruchomych nośników prądu, które pod wpływem działania zewnętrznego pola przemieszczają się z wnętrza półprzewodników ku granicy p-n. Grubość warstwy stykowej oraz jej opór ulega zmniejszeniu. Styk dwóch półprzewodników domieszkowych o różnych znakach nośników prądu odznacza się zatem przewodnictwem jednokierunkowym.
Badanym elementem w ćwiczeniu jest dioda półprzewodnikowa. Doprowadzając do diody napięcie stałe w kierunku przewodzenia, a następnie w kierunku zaporowym, rejestrujemy wartości natężenia prądu w obwodzie. Dane notujemy w tabeli.

2. Schematy układów pomiarowych.

Schemat obwodu pomiarowego - Schemat obwodu pomiarowego -
kierunek przewodzenia. kierunek zaporowy

Prostownik jednopołówkowy Prostownik dwupołówkowy

3. Tabele pomiarowe.

Tabela pomiarowa przy diodzie połączonej w kierunku przewodzenia.

UZAS.	U	±ΔU	I	±ΔI	R	±ΔR	ln R
V	V	V	μA	μA	kΩ	kΩ	Ω
0.1	0.09	0,0027	0.000	0.00000075	∞	∞	∞
0.2	0.19	0,0057	0.0001	0.00000075	1 900 000,00	101 900,01	21,37
0.3	0.29	0,0087	0.0012	0.00000075	241 666,67	8 575,01	19,30
0.4	0.37	0,0111	0.0172	0.000003	21 511,63	602,91	16,88
0.5	0.42	0,0126	0.0658	0.000003	6 382,98	158,36	15,67
0.6	0.45	0,0135	0.1342	0.000003	3 353,20	77,87	15,03
0.7	0.55	0,0165	1.010	0.000003	544,55	10,45	13,21
0.8	0.58	0,0174	1.720	0.0000075	337,21	6,16	12,73
0.9	0.65	0,0195	7.380	0.00015	88,08	1,45	11,39
1	0.67	0,0201	9.960	0.00015	67,27	1,08	11,12
1.1	0.68	0,0204	12.700	0.00075	53,54	0,85	10,89
1.2	0.70	0,0210	15.540	0.00075	45,05	0,69	10,72
1.3	0.70	0,0210	18.400	0.00075	38,04	0,59	10,55
1.4	0.71	0,0213	29.100	0.00075	24,40	0,37	10,10
1.5	0.73	0,0219	33.200	0.00075	21,99	0,33	10,00
1.6	0.74	0,0222	37.300	0.003	19,84	0,29	9,90
1.7	0.75	0,0225	41.400	0.003	18,12	0,26	9,80
1.8	0.75	0,0225	45.600	0.003	16,45	0,24	9,71
1.9	0.76	0,0228	49.800	0.003	15,26	0,22	9,63
2	0.78	0,0234	52.400	0.003	14,50	0,21	9,58
3	0.79	0,0237	93.000	0.003	8,44	0,12	9,04
4	0.81	0,0243	130.000	0.015	6,23	0,09	8,74
5	0.84	0,0252	174.500	0.015	4,81	0,07	8,48
6	0.86	0,0258	227.000	0.015	3,79	0,05	8,24
7	0.87	0,0261	269.000	0.015	3,23	0,05	8,08
8	0.88	0,0264	324.000	0,015	2,72	0,04	7,91
9	0.90	0,0270	370.000	0,015	2,43	0,03	7,80
10	0.91	0,0273	415.000	0,015	2,19	0,03	7,69

Tabela pomiarowa przy diodzie połączonej w kierunku zaporowym.

Uzas	U	±ΔU	I	±ΔI	R	±ΔR	ln R
V	V	V	μA	μA	MΩ	MΩ	Ω
5	0	0,0000	0	0	∞	∞	∞
10	4,94	0,1482	0,4	0,002	12,35	0,04	16,32917
16.1	9,93	0,2979	0,9	0,0045	11,03	0,03	16,21643
20	14,88	0,4464	1,3	0,0065	11,45	0,02	16,25316
25	19,86	0,5958	1,8	0,009	11,03	0,02	16,21643
30.	24,84	0,7452	2,2	0,011	11,29	0,02	16,23951

4. Wzory użyte do pomiaru i obliczeń błędów rezystancji.

5. Rachunek błędu.

Napięcie było mierzone z błędem systematycznym woltomierza ± 0,3%.

Prąd był mierzony z błędem systematycznym miliamperomierza o klasie dokładności 1,5.

Błąd pomiaru pośredniego rezystancji diody ΔR został obliczony metodą różniczki zupełnej.

6. Zestawienie wyników pomiarów, uwagi i wnioski.

Dioda jest elementem półprzewodnikowym w którym przepływ prądu w jednym kierunku ma charakter dominujący. Końcówki diody nazywamy odpowiednio anodą A i katodą K. Po doprowadzeniu do końcówek diody napięcia dodatniego UAK >0, znajduje się ona w stanie przewodzenia, a przy polaryzacji napięciem ujemnym UAK<0 - w stanie zatkania. Prąd wsteczny (zwrotny) diody jest zazwyczaj o kilka rzędów wielkości mniejszy, niż prąd w kierunku przewodzenia. Spadek napięcia dla diody krzemowej w kierunku przewodzenia zawiera się w granicy 0,3-0,8 V. Spadek napięcia na przewodzącej diodzie jest silnie zależny od temperatury

Z przebiegów zaobserwowanych na oscyloskopie przy badaniu prostownika jednopołówkowego można zaobserwować silne zniekształcenie przebiegu sinusoidalnego, zaś przy obserwacji prostownika dwupołówkowego w układzie mostkowym obserwujemy zwiększenie się napięcia wyjściowego względem napięcia wejściowego o pierwiastek z trzech ( nap. wejściowe wynosiło 6V, zaś wyjściowe ok. 10V ). Związane jest to ze zwiększeniem się wartości średniej napięcia wyjściowego, poprzez prostowanie napięcia w dwóch kierunkach.

Wnioski Maćka

Dioda jest elementem półprzewodnikowym w którym przepływ prądu jest możliwy tylko w jednym kierunku. Końcówki diody nazywamy odpowiednio anodą A i katodą K. Po doprowadzeniu do końcówek diody napięcia dodatniego UAK >0, znajduje się ona w stanie przewodzenia, a przy polaryzacji napięciem ujemnym UAK<0 - w stanie zatkania. Prąd wsteczny (zwrotny) diody jest zazwyczaj o kilka rzędów wielkości mniejszy, niż prąd w kierunku przewodzenia. Spadek napięcia dla diody krzemowej w kierunku przewodzenia zawiera się w granicy 0,3-0,8 V. Spadek napięcia na przewodzącej diodzie jest silnie zależny od temperatury.

W prostowniku jednopołówkowym napięcie jest prostowane poprzez „obcięcie” połówki sinusoidy, dlatego napięcie to nie jest całkowicie wyprostowane. W prostowniku dwupołówkowym, tzw. Mostku Gretza, napięcie jest bardziej wyprostowane ponieważ ujemna połówka sinusoidy „przeniesiona” jest do części dodatniej.

Charakterystyka złącza metal-półprzewodnik typu n

1

---