Olsztyn, dnia 9 grudnia 2008r

Wyznaczanie charakterystyki diody półprzewodnikowej
sprawozdanie nr 8

Temat nr 50

Arasimowicz Artur
Sieg Szymon
grupa 1

zespół nr 1

1. Wprowadzenie - opis teoretyczny zadania

Dioda jest elementem elektronicznym wyposażonym w dwie elektrody - anodę i katodę. Cechą charakterystyczną jest wyłącznie jednokierunkowy przepływ prądu od anody do katody. W praktyce, w zależności od sposobu wykonania, występuje większa lub mniejsza różnica między rezystancją mierzoną przy przepływie prądu w kierunku od anody do katody (kierunek przewodzenia - mała rezystancja) a mierzoną przy przepływie prądu w kierunku od katody do anody (kierunek zaporowy - duża rezystancja).

Półprzewodniki są to substancje zachowujące się w pewnych warunkach tak jak dielektryk, czyli przedmiot nie przewodzący prądu elektrycznego, ze względu na brak wolnych elektronów, a w pewnym zakresie półprzewodnik staje się przewodnikiem, czyli posiada małą oporność i wolne elektrony, które umożliwiają przepływ prądu elektrycznego. Istota przewodnictwa elektrycznego w półprzewodnikach polega na przemieszczaniu się elektronów swobodnych pod wpływem pola elektrycznego. Ważną cechą półprzewodników jest to, że ich zdolność przewodzenia zależy od wielu czynników, w tym głównie od zawartości domieszek i temperatury. Typowymi materiałami na półprzewodniki są: krzem, german, arsenek galu, lub antymonek galu które w czystej postaci nie przewodzą prądu. Wszystkie półmetale są półprzewodnikami.

Dioda półprzewodnikowa to dwukońcówkowy element półprzewodnikowy. Zbudowana jest z dwóch warstw półprzewodnika, odmiennie domieszkowanych - typu n i typu p, tworzących razem złącze p-n, lub z połączenia półprzewodnika z odpowiednim metalem - dioda Schottky'ego. Końcówka dołączona do obszaru n nazywa się katodą, a do obszaru p - anodą. Element ten charakteryzuje się jednokierunkowym przepływem prądu - od anody do katody, w drugą stronę prąd nie płynie (zawór elektryczny).

2. Zjawiska, prawa i zasady związane z doświadczenie

1. Budowa ciał

Struktura elektronowa krystalicznych ciał stałych decyduje o ich własnościach elektronowych. Ciała krystaliczne stanowi przestrzenny zbiór atomów lub cząsteczek (jonów) w postaci pewnego rodzaju elementarnych komórek regularnie powtarzających się w przestrzeni trójwymiarowej. W każdym atomie elektrony zajmuj pewne dozwolone orbity, którym zgodnie z regułami mechaniki kwantowej odpowiadają dyskretne poziomy energetyczne. Najwyższym obsadzonym poziomem jest poziom walencyjny, od jego obsadzenia zależą optyczne, chemiczne i elektryczne własności atomu. Na skutek oddziaływania elektronów z sąsiadujących atomów, każdy z poziomów energetycznych atomu rozszczepia się, tworząc całe pasmo dozwolonych i obsadzonych poziomów: dolna i górna granica pasma pozostają przy tym niezależne od wielkości próbki. Powyżej pasma walencyjnego występuje pasmo zabronione: żaden elektron nie może mieć energii zawierającej się w jego granicach. Jeszcze wyżej energetycznie usytuowane jest pasmo przewodnictwa, w którym mogą się znaleść elektrony nie związane już praktycznie z żadnym z atomów. Ponieważ wszystkie pasma poniżej walencyjnego są w pełni obsadzone, a elektrony nie mogą ich opuszczać, w schematycznych rysunkach pasmowej budowy kryształów przedstawia się jedynie położenie pasm walencyjnych, zabronionego i przewodnictwa. Przyjmując czysto formalny warunek klasyfikacji - szerokość energetycznego pasma zabronionego, kryształy można podzielić na trzy klasy:

izolatory o szerokości pasma zabronionego
,

Półprzewodniki
)
i metale, w których pasmo walencyjne i przewodnictwa nakładają się wzajemnie.

Schematyczny obraz pasmowej budowy kryształów:

2. Półprzewodniki samoistne

Materiał krystaliczny będzie wykazywał przewodność różną od zera jedynie gdy wśród pasm energetycznych co najmniej jedno będzie niecałkowicie zapełnione. Warunek ten spełniają półprzewodniki, w których (w odróżnieniu od izolatorów) istnieją mechanizmy sprawiające, że pasma w innych warunkach zapełnione są jedynie częściowo obsadzone lub pasma puste zostają częściowo wypełnione. Do półprzewodników zaliczane są materiały wielce różnorodne pod względem budowy chemicznej, a więc zarówno czyste pierwiastki jak german, krzem czy pewne odmiany węgla, tlenki i siarczki niektórych metali np. CuO, ZnO, PbS, związki międzymetaliczne jak InSb, GaAs i wiele innych. W układzie okresowym Si i Ge znajdują się w IV grupie i każdy z nich może być czterowartościowy, mając cztery elektrony walencyjne mogące tworzyć wiązanie chemiczne. W formie krystalicznej pierwiastki te mają strukturę diamentu, dla której każdy atom powiązany jest ze swymi czterema sąsiadami parami elektronów. Wiązanie takie nazywane jest kowalencyjnym (atomowym). Jest ono trwałe i trzeba znacznej energii, równej szerokości pasma zabronionego, aby uwolnić elektron.

W półprzewodnikach pasmo walencyjne jest całkowicie zapełnione, jedynie w temperaturze zera bezwzględnego, w każdej wyższej temperaturze pewna część elektronów jest termicznie wzbudzana do wyższego, pustego pasma przewodnictwa. Uwolnione elektrony pozostawiają w sieci krystalicznej naładowane dodatnio jony. Równoważny im ładunek dodatni może również poruszać się w krysztale od atomu do atomu, dzięki przeskokom elektronów walencyjnych między sąsiednimi atomami. Ten typ przepływu prądu w paśmie walencyjnym nazywany jest prądem dziurowym. W sumie, w półprzewodnikach możliwe są dwa mechanizmy przepływu prądu elektrycznego: ruch elektronów w paśmie przewodnictwa i ruch dziur w paśmie walencyjnym. W półprzewodnikach samoistnych, liczba dziur i elektronów z pasma przewodnictwa jest jednakowa, a prąd wypadkowy jest sumą porównywalnych natężeń prądów dziur i elektronów.

3. Półprzewodniki domieszkowe

Możliwe jest jednak sztuczne tworzenie materiałów o dominującym przewodnictwie elektronowym (półprzewodniki typu „n”, zwane również donorowymi) lub przewodnictwie

dziur (półprzewodniki typu „p”, zwane akceptorowymi). Przykładowo, mechanizm uzyskiwanie materiału donorowego może być następujący. Wprowadzając do czystego germanu lub krzemu arsen, który ma pięć elektronów walencyjnych, zostaje on wbudowany w istniejącą strukturę krystaliczną. Cztery elektrony tworzą z sąsiednimi atomami wiązania kowalencyjne, piąty elektron pozostaje luźno związany ze swym atomem arsenu tworząc nowe pasmo (tzw. donorowe), leżące bardzo blisko pasma przewodnictwa (słabo związany elektron ma energię niemal równą elektronom swobodnym).

W temperaturze pokojowej energia termiczna elektronów jest wystarczająca do przeniesienia ich z pasma donorowego do pustego pasma przewodnictwa. Pozbawiony elektronu atom domieszki (As) staje się natomiast jonem dodatnim, sztywno umiejscowionym w sieci krystalicznej. Duża energia pasma donorowego stanowi dla elektronów walencyjnych zbyt wysoką barierę aby w paśmie mogły pojawić się dziury przewodzące prąd elektryczny. W materiale typu „n” nośnikami większościowymi są zatem elektrony z pasma przewodnictwa, a koncentracja i rodzaj atomów domieszki decyduje o własnościach półprzewodnika. W półprzewodnikach typu „p” nośnikami większościowymi są dziury. Materiał taki powstaje w wyniku domieszkowania atomami trójwartościowymi np. glinu (Al) czy indu (In). W efekcie jedno z wiązań kowalencyjnych atomu domieszki jest niekompletne i może przyjąć elektron z pasma walencyjnego. W poziomie tym powstaje zatem dziura o ładunku dodatnim, mogąca poruszać się pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego. Poziom akceptorowy leży nieco ponad pasmem walencyjnym.

4. Złącza p-n

O praktycznym wykorzystaniu półprzewodników zadecydowały własności układu stanowiącego połączenie półprzewodnika typu „n” z półprzewodnikiem typu „p”, a ściślej mówiąc cienkiej warstwy granicznej zwanej złączem p-n. Duża różnica koncentracji nośników większościowych i mniejszościowych wywołuje dyfuzję w obu kierunkach złącza. Dziury z obszaru „p” dyfundują do materiału typu „n” o dużej koncentracji elektronów i tam ulegają rekombinacji z elektronami przewodnictwa. W materiale „p” powstają niezrównoważone elektrycznie, ujemne jony akceptorowe. W podobny sposób elektrony z materiału typu „n” dyfundują do „p” i tam rekombinują z dziurami pozostawiając w obszarze „n” dodatnio naładowane jony donorowe. Niezrównoważone elektrycznie jony donorowe i akceptorowe tworzą dipolową warstwę ładunku przestrzennego, która w warunkach równowagi wstrzymuje dalszy proces dyfuzji. Ściśle rzecz biorąc, dyfuzja zostaje ograniczona do poziomu, przy którym prąd dyfuzji jest zrównoważony przez tzw. prąd unoszenia nośników mniejszościowych (elektronów z materiału „p” do materiału „n”, dziur z „n” do „p”). Pomiędzy półprzewodnikami typu „n” i „p” tworzy się różnica potencjału zwana napięciem kontaktowym, skierowana w poprzek złącza.

5. Polaryzacja złącza p-n

Złącze p-n można spolaryzować przez przyłożenie zewnętrznego pola elektrycznego. Jeżeli do elektrody połączonej z półprzewodnikiem typu „p” dołączy sie dodatni zacisk źródła napięcia, a ujemny z materiałem typu „n”, złącze p-n zostanie spolaryzowane w kierunku przewodzenia. Zewnętrzne pole powoduje wzrost liczby nośników większościowych w okolicy złącza, neutralizujących ładunek nieruchomych jonów akceptorowych i donorowych w warstwie zaporowej. W efekcie maleje ładunek warstwy zaporowej oraz zmniejsza sie napięcie kontaktowe. Zmniejszenie bariery potencjału powoduje wzrost liczby elektronów przewodzących z materiału typu „n” do „p” i dziur z materiału „p” do „n”. Ten właśnie prąd (niezrównoważony tym razem przez prąd unoszenia) decyduje o trwałym przepływie prądu przez złącze. Podobnie można przeanalizować sytuacje polaryzacji złącza w kierunku zaporowym. Przyłożone pole elektryczne obniża liczbę nośników większościowych w pobliżu złącza, rośnie gęstość ładunków związanych z nieruchomymi jonami donorowymi i akceptorowymi i w efekcie wzrasta bariera potencjału. Zmniejsza sie liczba nośników większościowych i za przepływ prądu przez złącze odpowiadają nośniki mniejszościowe. Prąd ten, zwany prądem zaporowym, jest mniejszy od prądu przewodzenia o kilka rzędów wielkości i w pierwszym przybliżeniu jego udział może być pominięty.

6. Funkcje diody półprzewodnikowej

Własności złącza p-n spowodowały, ze diody półprzewodnikowe przejęły wszystkie funkcje spełnione poprzednio przez diody lampowe. Do funkcji tych zaliczyć można przede wszystkim prostowanie prądów przemiennych, ich generacje, wykrywanie (detekcje) sygnałów elektromagnetycznych w niemal całym zakresie widmowym, mieszanie sygnałów o różnych częstotliwościach, przełączanie (kluczowanie) sygnałów itp. Pojedyncze złącze p-n znalazło również zupełnie nowe zastosowanie jako stabilizator napięcia, detektor naprężeń mechanicznych, czujnik temperaturowy, kondensator o regulowanej pojemności czy jako skomplikowany przetwornik funkcji matematycznych. Konstrukcja diod będących detektorami lub emiterami energii promienistej (w tym promieniowania spójnego w diodach laserowych) umożliwiła poprzez znaczne zwiększenie gęstości zapisu informacji na trwałych nośnikach danych współczesny rozwój technik multimedialnych.

7. Dioda

Dioda jest elementem elektronicznym zbudowanym z dwóch półprzewodników (typu p i typu n). Właściwie jest to miejsce zetknięcia się tych dwóch półprzewodników.

Półprzewodnik typu p posiada atomy czterowartościowe i atomy trójwartościowe. W wyniku tego występują "braki" elektronów. Są to dziury (nadmiarowe nośniki większościowe). Prąd w tym półprzewodniku składa się praktycznie tylko z dziur.

W półprzewodniku typu n sytuacja jest podobna, lecz są tu atomy o wartościowości 5. W wyniku tego występuje nadmiar elektronów. Są to nadmiarowe nośniki większościowe dla tego typu półprzewodnika. Prąd w tym półprzewodniku składa się praktycznie tylko z elektronów.

Działanie diody jest następujące:

W miejscu styku dwóch różnych półprzewodników tworzy się bariera potencjałów (spowodowana różnica ładunków atomów domieszki obu półprzewodników).

Polaryzacja diody w kierunku przewodzenia powoduje odłożenie się największego napięcia na złączu (największa oporność) w wyniku tego napniecie na złączu maleje, maleje szerokość obszaru zubożonego i maleje natężenie pola elektrycznego w złączu. Po osłabieniu pola nośniki większościowe będą mogły pokonywać złącze ruchem dyfuzyjnym, a w obwodzie zewnętrznym popłynie znaczny prąd.

Polaryzacja diody w kierunku zaporowym powoduje:

1. Zwiększenie szerokości obszaru zubożonego gdyż przyłożone napniecie odkłada się przede wszystkim na złączu.

2. Zwiększenie pola elektrycznego w złączu i skuteczne zahamowanie dyfuzyjnego ruchu nośników większościowych już przy napięciu 0.1V.

3. Pojawienie się w obwodzie zewnętrznym niewielkiego prądu pochodzącego od dryftowego ruchu nośników mniejszościowych. Prąd ten posiada mała wartość gdyż koncentracje nośników mniejszościowych są małe, a średnia prędkość nośników również jest mała.

Przy zwiększaniu napięcia wstecznego diody dochodzi do przebicia złącza. W diodach prostowniczych jest to zjawisko nieodwracalne (występuje tu przebicie cieplne), natomiast w diodach Zennera jest to zjawisko odwracalne ponieważ występuje tu przebicie lawinowe (U_z > 6V) i przebicie tunelowe (U_z < 8V). Przebicie lawinowe polega na wybiciu elektronów z sieci krystalicznej półprzewodnika poprzez bombardowanie jej innymi elektronami (o dużej szybkości - rozpędzone przez pole elektryczne). Przebicie tunelowe polega na wyrwaniu elektronowa z sieci krystalicznej przez podanie bardzo dużego pola elektrycznego.

Budowa diody:

8. Dioda półprzewodnikowa

Diodą półprzewodnikową nazywamy element wykonany z półprzewodnika, zawierającego jedno złącze - najczęściej p-n z dwiema końcówkami wyprowadzeń.

Charakterystyka diody oraz jej parametry są podobne, a nawet niekiedy takie same jak złącza p-n . Ze względu na swą budowę, dioda przepuszcza prąd w jednym kierunku, natomiast w kierunku przeciwnym - w minimalnym stopniu.

Diody stosowane są w układach analogowych i cyfrowych. W układach analogowych wykorzystywana jest zależność rezystancji dynamicznej od napięcia lub prądu wejściowego, lub też zmiany pojemności w funkcji napięcia. W układach cyfrowych istotne są natomiast właściwości przełączające diody.

Diody półprzewodnikowe stosuje się w układach prostowania prądu zmiennego, w układach modulacji i detekcji, przełączania, generacji i wzmacniania sygnałów elektrycznych.

Każda dioda ma pewną częstotliwość graniczną, po przekroczeniu, której nie zachowuje się jak dioda, lecz jak kondensator.

9. Dioda prostownicza

Diody prostownicze są przeznaczone do prostowania napięcia bądź prądu przemiennego o małej częstotliwości. Prostowanie jest to przetwarzanie prądu przemiennego na prąd jednokierunkowy. Diody te zaczynają przewodzić prąd dopiero po przekroczeniu pewnej wartości napięcia w kierunku przewodzenia (dla diod krzemowych wynosi ona ok. 0,7 V, a dla germanowych ok. 0,3 V).

10. Dioda stabilizacyjna

Diody stabilizacyjne są to diody przeznaczone do stabilizacji lub ograniczania napięć. Diody stabilizacyjne pracują przy polaryzacji w kierunku zaporowym, charakteryzując się niewielkimi zmianami napięcia pod wpływem dużych zmian prądu.  Diody te wykorzystują zjawisko Zenera lub lawinowe.

11. Dioda pojemnościowa

Diody pojemnościowe (warikapy i waraktory) pracują przy polaryzacji zaporowej, charakteryzując się zmienną pojemnością napięcia. Ze względu na małe wymiary diod pojemnościowych, dużą wytrzymałość na udaryi małą zależność od zmian temperatury, mogą one w wielu wypadkach zastąpić kondensatory zmienne lub ceramiczne.

12. Dioda przełączające

Diody przełączające - do nich zaliczane są diody: tunelowe, ładunkowe, ostrzowe, Schottky`ego. Zastosowanie: w przełącznikach, we wzmacniaczach o małych szumach i w generatorach mikrofalowych.

13. Anoda, katoda

Anoda/Katoda - rodzaj elektrody przez który ładunek ujemny opuszcza dany układ elektryczny lub do układu jest dostarczany ładunek dodatni. W zależności od charakteru układu (kierunku przepływającego przez nie prądu elektrycznego), anoda może być elektrodą dodatnią lub ujemną i występuje zawsze w parze z elektrodą jej przeciwną pod względem znaku, czyli katodą.

3. Instrumenty wykorzystywane w doświadczeniu

1. Potencjometr

Potencjometr to opornik z możliwością zmiany rezystancji przez użytkownika. Zmiany tej dokonuje się poprzez zmianę położenia styku (ślizgacza) na ścieżce oporowej. Ślizgacz sprzężony jest z pokrętłem lub suwakiem. Ścieżkę oporową wykonuje się z węgla, cermetu, plastiku lub zwojów drutu oporowego. Dwa wyprowadzenia są zakończeniami ścieżki oporowej, trzeci jest połączony ze ślizgaczem.

2. Oscyloskop

Oscyloskop - przyrząd elektroniczny służący do obserwowania, obrazowania i badania przebiegów zależności pomiędzy dwiema wielkościami elektrycznymi, bądź innymi wielkościami fizycznymi reprezentowanymi w postaci elektrycznej. Oscyloskop stosuje się najczęściej do badania przebiegów szybkozmiennych, niemożliwych do bezpośredniej obserwacji przez człowieka. Głównym elementem budowy oscyloskopu jest lampa oscyloskopowa. Oscyloskop został wynaleziony przez Thomasa Edisona.

4. Opis przebiegu doświadczenia:

1. Połączyć układ w kierunku przewodzenia na płytce montażowej, zgodnie ze schematem:

Gniazdka + i - połączyć do zacisków zasilacza oznaczonych jako Up.

2. Potencjometrem na zasilaczu zmienić wartość napięcia przykładanego do złącza w zakresie uzgodnionym z prowadzącym ćwiczenia i odczytać natężenie prądu dla każdej wartości nastawionego napięcia. Dane zapisać w tabelce.
   

3. Połączyć układ w kierunku zaporowym na płytce montażowej, zgodnie ze schematem:
   
   
   
   
   Gniazdka + i - podłączyć do zacisków zasilacza oznaczonych jako Uz.
   

4. Potencjometrem na zasilaczu zmieniać napięcie o wartość uzgodnioną z prowadzącym i odczytywać natężenie prądu dla każdej wartości napięcia. Dane zapisywać w tabelce.
   

5. Obserwacja prostowniczego działania złącza n-p na ekranie oscyloskopu jest możliwa po podłączeniu do układu płytki montażowej napięcia zmiennego oznaczonej na zasilaczu jako U≈.

Dla różnych amplitud napięć wejściowych na diodę, uzgodnioną z prowadzącymi, odrysować z ekranu oscyloskopu przebiegi napięć wejściowych i wyjściowych.

6. Wykreślić na papierze milimetrowym poszczególne rodziny charakterystyk.

Kierunek przewodzenia:

L.p.	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Up [V]
Ip [mA]

Kierunek zaporowy:

L.p.	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Uz [V]
Iz [mA]

---