LABORATORIUM Z FIZYKI |
|
|
||
|
TEMAT: BADANIE WŁASNOŚCI PROSTOWNICZYCH DIODY I PROSTOWNIKA SELENOWEGO
|
97.04.04. |
||
ćw. nr 5 |
|
OCENA |
Po dodaniu do półprzewodnika z czystego germanu domieszki w postaci pierwiastków V gr. okresowej, np. As (Arsen), Sb (Antymon), P (Fosfor), to otrzymamy półprzewodnik typu n. Poziomy energetyczne atomów domieszkowych umiejscawiają się w paśmie energii wzbronionych, tuż poniżej dna pasma przewodnictwa. Atomy domieszek w stosunku do atomu germanu posiadają o jeden elektron walencyjny więcej, który łatwo oddają do pasma przewodzenia. W tym przypadku atomy domieszek nazywamy donorami (bo oddają elektron).
Dodając do półprzewodnika z czystego germanu domieszki pierwiastków III gr. okresowej, np. Al (Glin), In (Ind), Ga (Gal), to otrzymamy półprzewodnik typu p. Poziomy energetyczne atomów domieszkowych leżą w paśmie energii wzbronionych, tuż powyżej pasma walencyjnego. Poziomy energetyczne atomów domieszkowych nie są zajęte przez elektrony tych atomów i są w stanie przyjąć elektrony z pasma walencyjnego kryształu. Po przejściu takiego elektronu z pasma walencyjnego na poziom domieszki powstaje tzw. „dziura” w paśmie walencyjnym. Atomy domieszkowe w tym przypadku nazywamy akceptorami (bo przyjmują elektron).
Przewodnictwo elektryczne w półprzewodniku typu n zależy od ruchu elektronów, a w półprzewodniku typu p uwarunkowane jest od ruchu „dziur”.
Zetknięcie się dwu takich półprzewodników o powyższych własnościach nosi nazwę przejścia elektronowo-dziurowego albo złącza p-n. Złącze takie po stronie części n posiada dużą ilość elektronów, a po stronie części p duże skoncentrowanie dziur.
W stanie równowagi termicznej elektrony przewodnictwa, które pochodzą z donorów znajdują się w większości w obszarze typu n, gdzie zobojętniają one dodatni ładunek przestrzenny zjonizowanych donorów, podczas gdy dziury pochodzące z akceptorów są głównie w obszarze typu p. Nie da się ich jednak całkowicie odizolować, o ile nie istnieje w obszarze złącza pole elektryczne. Przyjmując, że pierwotnie nie ma pola elektrycznego na złączu, to zachodzić będzie proces dyfuzji „dziur” do części n, które pozostawiają w części p ujemnie naładowane jony akceptorowe, jednocześnie elektrony będą dyfundować do części p, pozostawiając w części n dodatnio naładowane jony donorowe. Proces pierwotnej dyfuzji spowoduje powstanie podwójnej warstwy elektrostatycznej na złączu. Z warstwą tą związane jest pole elektryczne E skierowane z części n do p, które przeciwdziała dalszej dyfuzji nośników przez złącze. (Rys. 1.)
Przykładając do złącza zewnętrzne pole elektryczne EZ, którego kierunek jest zgodny z kierunkiem pola wewnętrznego E, pole zewnętrzne EZ będzie wzmacniać pole wewnętrzne E, co spowoduje wzrost grubości podwójnej warstwy elektrostatycznej i będzie się odznaczać zwiększonym oporem. Taki kierunek prądu nazywamy zaporowym. W tym kierunku warstwa ma duży opór i płynie przez nią mały prąd. (Rys. 2)
Po zmianie biegunowości przyłożonego napięcia, kierunek zewnętrznego pola EZ będzie przeciwny do kierunku pola wewnętrznego E. W obszarze warstwy zaporowej wzrośnie ilość swobodnych elektronów i „dziur”, a grubość warstwy ulegnie zmniejszeniu. Przez takie złącze, spolaryzowane w kierunku przewodzenia, może płynąć prąd o dużym natężeniu.(Rys. 3)
Styk dwóch półprzewodników o różnych znakach nośników prądu posiada zatem własności prostowania prądu zmiennego, podobnie jak dwuelektrodowa lampa elektronowa zwana diodą. Z tej przyczyny przyrząd posiadający jedno przejście p-n nazywany jest diodą półprzewodnikową.
Charakterystykę prądowo-napięciową złącza p-n opisuje równanie Shockley'a oraz wykres (Rys. 4.):
I0 - stała,
e - podstawa logarytmów naturalnych,
q - ładunek elektronu,
U - napięcie.
Przebieg ćwiczenia:
a) Zdejmowanie charakterystyki prądowo-napięciowej w kierunku przewodzenia i zaporowym diody germanowej, krzemowej i półprzewodnika selenowego, za pomocą obwodu elektrycznego, (Rys. 5.).
b) Obliczanie oporu diody dla każdej wartości napięcia na podstawie zdjętej charakterystyki prądowo-napięciowej i rysowanie wykresu zależności oporu diody od napięcia w kierunku przewodzenia (wykres 1. 1.) i w kierunku zaporowym (wykres 2. 1).
c) Obliczanie współczynnika prostowania α.
, U=const.
KIERUNEK PRZEWODZENIA
DIODA I |
DIODA II |
PROSTOWNIK SELENOWY |
|||
U [V] |
I [A] |
U [V] |
I [A] |
U [V] |
I [A] |
0,1 |
0 |
0,1 |
0,005 |
0,4 |
0 |
0,2 |
0 |
0,2 |
0,045 |
0,8 |
0,008 |
0,3 |
0 |
0,3 |
0,129 |
1,2 |
0,071 |
0,4 |
0 |
0,4 |
0,257 |
1,6 |
0,188 |
0,5 |
0,006 |
0,5 |
0,391 |
2,0 |
0,337 |
0,6 |
0,028 |
0,6 |
0,554 |
2,4 |
0,494 |
0.7 |
0,063 |
0,7 |
0,726 |
2,8 |
0,616 |
0,8 |
0,125 |
|
|
3,2 |
0,777 |
0,9 |
0,232 |
|
|
3,6 |
0,856 |
1,0 |
0,417 |
|
|
|
|
1,1 |
0,591 |
|
|
|
|
KIRUNEK ZAPOROWY
DIODA I
|
DIODA II
|
PRZEWODNIK SELENOWY
|
|||
U [V] |
I [A] |
U [V] |
I[A] |
U [V] |
I[A] |
1.2 |
0,419 |
1,2 |
0 |
2 |
0,024 |
2,4 |
0,428 |
2,4 |
0 |
4 |
0,058 |
3,6 |
0,437 |
3,6 |
0 |
6 |
0,100 |
4,8 |
0,449 |
4,8 |
0 |
8 |
0,149 |
6,0 |
0,459 |
6,0 |
0 |
10 |
0,209 |
7,2 |
0,473 |
7,2 |
0 |
12 |
0,277 |
8,4 |
0,493 |
8,4 |
0 |
14 |
0,365 |
9,6 |
0,519 |
9,6 |
0 |
16 |
0,482 |
10,8 |
0,546 |
10,8 |
0 |
18 |
0,655 |
12,0 |
0,571 |
12 |
0 |
|
|
13,2 |
0,599 |
13,2 |
0 |
|
|
Dane i obliczenia:
Aby wykonać wykres zależności R(U) należy policzyć R oraz błędy wskazań. Do obliczania oporów właściwych danego przewodnika służy wzór: , natomiast błąd pomiarowy obliczać będziemy następująco: klasa miernika (cyfrowego) • wskazanie.
Obliczanie błędów oraz oporów dla diody krzemowej, germanowej oraz dla półprzewodnika selenowego w kierunku przewodzenia.
Dioda krzemowa (kierunek przewodzenia):
, gdzie ; ; ;
Dioda germanowa (kierunek przewodzenia):
, gdzie ; ; ;
Półprzewodnik selenowy (kierunek przewodzenia):
, gdzie ; ; ;
2. Obliczanie błędów oraz oporów dla diody krzemowej, germanowej oraz dla półprzewodnika selenowego w kierunku zaporowym.
Dioda krzemowa (kierunek zaporowy):
, gdzie ; ; ;
Dioda germanowa (kierunek zaporowy):
, gdzie ; ; ;
Półprzewodnik selenowy (kierunek zaporowy):
, gdzie ; ; ;
Obliczanie współczynnika prostowania α:
* Współczynnik prostowania dla półprzewodnika selenowego wynosi: , dla U=0.6 V
Dane na wykresie
* Współczynnik prostowania dla diody germanowej wynosi: , dla U=0.6 V
Dane na wykresie
* Współczynnik prostowania dla diody krzemowej wynosi:
Dane na wykresie
Wnioski:
Wraz ze wzrostem napięcia współczynniki α wszystkich półprzewodników typu p-n rosną bardzo szybko zachowując stałą kolejność w skuteczności prostowania prądu (αK >> αG > αS). Dioda krzemowa jest więc najskuteczniejszym prostownikiem prądu zmiennego.
Wpinając diodę do układu w kierunku przewodzenia chcemy by przy danym napięciu przyłożonym do tego obwodu uzyskać jak najmniejszy opór diody. Jak widać na wykresie dla danego U najmniejszy opór posiada dioda germanowa, a największy opór półprzewodnik selenowy. Wykres pokazuje również, że wraz ze wzrostem napięcia w badanym obwodzie maleje opór diody.
Wykresy zależności R(U) mają kształty hiperboidalne.
Podłączając diodę do układu w kierunku zaporowym chcemy by przy ustalonym napięciu opór diody był jak największy tzn. Aby przepuszczał jak najmniejszą wartość natężenia prądu. Z wykresu wynika, że dioda krzemowa posiada o wiele lepsze właściwości zaporowe (co potwierdza współczynnik prostowania α), niż pozostałe diody. Dioda krzemowa działa najlepiej dla małych napięć, zaś w miarę wzrostu napięcia właściwości prostownicze diody tej słabną, ale i tak są o wiele, wiele większe niż pozostałych dwóch.
Podsumowując: najlepsze właściwości prostownicze posiada dioda krzemowa.
Rys 5