Numer ćwiczenia 3	Badanie własności prostowniczych diody i prostownika selenowego.	Data 1999-02-23
Kierunek studiów Informatyka (studia dzienne)	Sławomir Pieśniewski	Ocena

Półprzewodniki to materiały IV wartościowe pod względem rezystywności (oporności właściwej) zajmujące pośrednie miejsce między przewodnikami a izolatorami. Do półprzewodników należy: krzem, german, selen, niektóre tlenki metali, niektóre ferryty.

Półprzewodniki znalazły zastosowanie w prostownikach zaporowych. Największe znaczenie praktyczne mają styki dwu półprzewodników o różnych rodzajach przewodnictwa niesamoistnego. Rozróżniamy półprzewodniki niesamoistne typu „n” czyli elektronowe oraz typu „p” - czyli dziurowe. Jeśli teraz za materiał półprzewodnika przyjmiemy german i jeżeli właśnie czysty german będziemy domieszkować pierwiastkami piątej grupy układu okresowego, np. As, Sb, P, to otrzymamy półprzewodnik typu „n”. Poziomy energetyczne atomów domieszkowych umiejscawiają się w paśmie energii wzbronionych, tuż poniżej dna pasma przewodnictwa. Atomy domieszek posiadają w stosunku do atomów germanu o jeden elektron walencyjny więcej i łatwo oddają go do pasma przewodnictwa. Atomy domieszek nazywamy w tym przypadku donorami.

Jeżeli czysty german domieszkować będziemy pierwiastkami trzeciej grupy, np. Al., In, Ga, to otrzymamy półprzewodnik typu „p”. W tym przypadku poziomy energetyczne atomów domieszkowych leżą w paśmie energii wzbronionych, tuż powyżej pasma walencyjnego.

Pozimy energetyczne atomów domieszkowych nie są obsadzone przez elektrony tych atomów i mogą być zajmowane przez elektrony z pasma walencyjnego kryształu. Przejściu elektronu z pasma walencyjnego na poziom domieszki towarzyszy wytworzenie się dziury w paśmie walencyjnym. Atomy domieszkowe nazywamy w tym przypadku akceptorami. W półprzewodniku typu „n” przewodnictwo elektryczne uwarunkowane jest ruchem elektronów zaś w półprzewodniku typu „p” - ruchem dziur.

Granica zetknięcia dwóch półprzewodników, z których jeden odznacza się przewodnictwem elektronowym, drugi zaś przewodnictwem dziurowym nosi nazwę złącza p-n. W złączu p-n czyli w strefie granicznej obszaru n i p zachodzi dyfuzja tj. przenikanie elektronów do dziur. Elektrony zapełniając dziury tworzą warstwę jonów ujemnych i dodatnich. Grubość warstwy nie przekracza kilku mikrometrów. Jony wytwarzają pole elektryczne hamujące dalszy przepływ elektronów. Złącze p-n nazywa się barierą potencjałów lub warstwą zaporową o dużej rezystywności (duży opór wewnętrzny).

Dioda (D) posiada dwa obszary: typu n i typu p czyli jedno złącze p-n a także dwie elektrody: katodę i anodę. Jeżeli do obszaru p dołączymy potencjał +, a do n - to elektrony przenikając barierę potencjałów płyną przez warstwę p przewodami przez kolejne elementy obwodu m.in. źródło, w końcu wracają do warstwy n. Mówimy o spolaryzowaniu złącza w kierunku przewodzenia (przepustowi). Warunkiem tego zjawiska jest to, aby napięcie zasilania obwodu , w którym jest dioda miało wystarczającą wartość np. dla krzemu 0,65 V.

Przy polaryzacji przeciwnej następuje odpływ nośników prądu od złącza w wyniku czego bariera potencjałów powiększa się, zwiększa się jej rezystancja. Prąd w obwodzie w takim wypadku nie popłynie. Wtedy mówimy o polaryzacji wstecznej (zaporowej) diody.

Styk dwóch półprzewodników o różnych znakach nośników prądu posiada więc własności prostowania prądu zmiennego, podobnie jak dwuelektrodowa lampa elektronowa - dioda.

Charakterystyka prądowo-napięciowa przejścia p-n opisana jest równaniem Shockley'a:

gdzie:

I0 - stała

e - podstawa logarytmów naturalnych

q - ładunek elektronu

U - napięcie.

PRZEBIEG ĆWICZENIA

1.Zdjąć charakterystykę prądowo-napięciową diody germanowej, krzemowej oraz prostownika selenowego. W tym celu zestawić obwód elektryczny wg.rys.1.

Zdejmując charakterystykę w kierunku przewodzenia wykonać pomiary co 50mA od 0 do 300mA, a od 300 do 800mA co 100mA. Natomiast w kierunku zaporowym regulować napięcie od 0 do 3V co 0.5V, a od 3 do 20V co 2V.

2.Obliczyć współczynnik prostowania

U=const.

3.Wykonać wykresy charakterystyk prądowo-napięciowych w kierunku przewodzenia i zaporowym dla diody krzemowej, germanowej i prostownika selenowego.

POMIARY I OBLICZENIA

Po złożeniu obwodu zgodnie z podanym schematem (dołączonym na osobnym rysunku w sprawozdaniu) przystąpiłem do badania wartości napięcia i natężenia prądu diody krzemowej i germanowej oraz prostownika selenowego zarówno dla kierunku przewodzenia jak i zaporowego zgodnie z zaleceniami.

Wszystkie pomiary umieściłem w tabeli pomiarowej dołączonej do sprawozdania. Dla diody krzemowej w kierunku zaporowym pomiar wykazał przepływ minimalnego prądu o wartości 0.003 [mA]. Jednak teoretycznie prąd ten nie powinien występować dla tego kierunku i dlatego przyjmuje wartość prądu równą 0. Wskazanie minimalnego prądu związane jest prawdopodobnie z długotrwałą pracą urządzeń pomiarowych lub wysoką temperaturą otoczenia.

Po dokonaniu pomiarów przystąpiłem do obliczenia wartości błędów bezwzględnych dla poszczególnych wartości prądu i napięcia. Wyniki błędów umieściłem w tabeli pomiarowej.

Błędy te liczone były z zależności:

ΔU = 0.02 U

ΔI = 0.02 I

Następnie obliczam współczynnik prostowania:

U=const.

Dla diody krzemowej jak już wyżej stwierdziłem, prąd zaporowy jest pomijalnie mały, a więc α→∞

Dla diody germanowej przy U = 0,51 [V]

Dla prostownika selenowego przy U = 2,042 [V]

Następnie obliczam błąd względny współczynnika prostowania metodą pochodnej logarytmicznej.

Więc ostatecznie współczynnik prostowania wynosi: dla diody germanowej α=1471,91 ± 58,87 ,

a dla prostownika selenowego α=11329,63 ± 453,18.

Na podstawie tabeli pomiarowej i biorąc pod uwagę wartości błędów bezwzględnych wykonuje wykresy charakterystyk prądowo-napięciowych dla diody krzemowej, germanowej oraz prostownika selenowego.

WNIOSKI:

Po dokonaniu wszystkich pomiarów i obliczeń możemy jednoznacznie stwierdzić, że współczynniki prostowania rosną wraz ze zwiększającym się napięciem. Ze względu na to, że współczynnik prostowania diody krzemowej jest największy, można stwierdzić, że dioda ta jest najskuteczniejszym prostownikiem.

Rozpatrując teraz diody germanową i krzemową dochodzimy do wniosku, że lepsza jest krzemowa, gdyż przy kierunku zaporowym ma największy opór. Co świadczy o tym, że zgodnie z własnościami przepuszcza ona bardzo małe wartości prądu. Potwierdza to również współczynnik prostowania.

Badanie własności prostowniczych diody i prostownika selenowego 3

I

U

Kierunek przewodzenia

Kierunek zaporowy

---