WfiTJ	1.Urszula Jeleń 2.Marcin Sikora		Rok 2	Grupa : 2	Zespół: VII
Pracownia Fizyczna 2	Temat: Dioda półprzewodnikowa				Nr ćw. 123
Data wykonania: 24.11.1998	Data oddania: 01.12.1998	Zwrot do poprawy:	Data oddania:	Data zaliczenia:	OCENA:

Podstawowymi strukturami półprzewodnikowymi przyrządów złączowych, takich jak diody, tranzystory, układy scalone, są warstwowe złącza półprzewodnikowe typu p - n. Złącze to stanowi obszar monokrystaliczny półprzewodnika ze zmienną koncentracją domieszek akceptorowych i donorowych, prowadzącą do zmiany typu przewodnictwa z elektronowego (półprzewodnik typu n) na dziurowy (typu p).

W krysztale typu p głównymi nośnikami ładunku są dziury, a nośnikami mniejszościowymi elektrony,w krysztale typu n mamy sytuację odwrotną.

Jeżeli między obydwoma kryształami istnieje kontakt elektryczny i swobodne nośniki mogą przemieszczać się z jednego kryształu do drugiego, to kryształy te utworzą jednolity układ i poziomy Fermiego znajdą się w nich na tej samej wysokości. Prowadzi to do przemieszczania się względem siebie pasm energetycznych w obu kryształach i powstania w obszarze kontaktu bariery potencjału o wysokości , gdzie - kontaktowa różnica potencjałów.

Strumień większościowych nośników ładunku, które przechodzą przez złącze p - n tworzy prąd dyfuzyjny . Zależność ilościową I_d od wielkości bariery potęcjałów określa czynnik wynikający z rozkładu Bolzmanna I_d ∼ exp(eU/kT).Przechodzeniu większościowych nośników ładunku przez złącze p - n towarzyszy przechodzenie mniejszościowych, przy czym ich strumień jest skierowany przeciwnie i tworzy prąd dryfu . W warunkach równowagi prądy te są równe co do swych wartości bezwzględnych, a ponieważ są przeciwnie skierowane, to prąd całkowity złącza . Przyłożenie zewnętrznego napięcia U do złącza powoduje naruszenie istniejącej poprzednio równowagi. Zależnie od sposobu jego podłączenia do złącza możliwe jest obniżenie lub podwyższenie wewnętrznej bariery potencjału o wartość .

Zgodnie z warunkiem zerowania prądu całkowitego dla U=0, prąd diody określony jest zależnością:

gdzie: U - napięcie zewnętrzne przyłożone do złącza,

I_s - prąd nasycenia złącza,

- potencjał termiczny złącza.

Powyższe równanie stanowi tzw. statyczną charakterystykę prądowo - napięciową złącza p - n.

Charakterystyka prądowo - napięciowa złącza jest silnie nieliniowa. Złącze ma własność jednokierunkowego przewodzenia. Ma bardzo duży opór przy polaryzacji zaporowej oraz bardzo mały przy polaryzacji w kierunku przewodzenia.

Powyższy wzór opisuje idealną charakterystykę złącza p - n. Wzór ten nie zawiera żadnych parametrów określających własności konkretnego półprzewodnika, takich jak wartość przerwy energetycznej czy koncentracji nośników. Wobec tego charakterystyki rzeczywistych diod mogą być tylko gorsze od charakterystyki idealnego złącza p - n, tj. wykazują większy spadek napięcia w kierunku przewodzenia i większą wartość prądu wstecznego w kierunku zaporowym w porównaniu do idealnego złącza p - n.

W przypadku złącz złożonych z obszarów o dużej koncentracji domieszek akceptorowych i donorowych, przy ich zaporowej polaryzacji odpowiednio dużym napięciem wstecznym, pasmo przewodnictwa po stronie n złącza leży naprzeciw pasma walencyjnego po stronie p. Przy dużej koncentracji domieszek szerokość warstwy opróżnionej jest mała i może zachodzić tunelowe przejście elektronów z obszaru p do n. Zjawisko to jest nazwane zjawiskiem Zenera. Zjawisko to powoduje w diodach gwałtowny wzrost prądu wstecznego po przekroczeniu pewnego progowego napięcia Zenera U_z.

Współczynnik stabilizacji diody Zenera jest stosunkiem względnej zmiany napięcia do względnej zmiany prądu. Można go też określić jako stosunek oporności dynamicznej r_z do statycznej R_z diody Zenera:

Schemat płyty ćwiczeniowej przedstawiamy na poniższym rysunku:

Przebieg doświadczenia i opracowanie wyników

1. Po zestawieniu układu pomiarowego wykonaliśmy pomiary charakterystyk prądowo - napięciowych dla diod prostowniczych germanowej i krzemowej spolaryzowanych w kierunku przewodzenia do wartości natężenia prądu 10 mA, spolaryzowanych w kierunku zaporowym do napięcia 10 V. Otrzymane wyniki pomiarów przedstawiamy w tabelach.

( W dalszej części opracowania będziemy dla ułatwienia zamiast „spolaryzowane w kierunku przewodzenia (zaporowym)” będziemy mówić „ w kierunku przewodzenia (zaporowym)” )

W kierunku przewodzenia			W kierunku zaporowym
[mA]	Dioda germanowa [mV]	Dioda krzemowa [mV]	[V]	Dioda germanowa [nA]	Dioda krzemowa [nA]
0	0	0	-10	-270	-1000
0,1	46	445	-9	-220	-900
0,2	69	477	-8	-170	-800
0,3	84	496	-7	-140	-700
0,4	95	509	-6	-110	-600
0,5	104	519	-5	-80	-500
0,6	111	528	-4	-50	-400
0,7	118	535	-3	-31	-300
0,8	123	542	-2	-29	-200
0,9	128	547	-1	-28	-99
1	132	552	-0,9	-28	-88
2	163	586	-0,8	-28	-79
3	182	606	-0,7	-28	-69
4	196	620	-0,6	-28	-59
5	206	631	-0,5	-28	-49
6	215	639	-0,4	-28	-38
7	222	647	-0,3	-28	-28
8	229	653	-0,2	-28	-19
9	235	659	-0,1	-26	-9
10	240	665	0	0	0

b) dioda germanowa w zakresie małych temperatur:

Napięcie	Natężenie
[V]	[μA]
-0,1	-27
-0,09	-27
-0,08	-26
-0,07	-26
-0,06	-25
-0,05	-24
-0,04	-22
-0,03	-19
-0,02	-15
-0,01	-9
0	0
0,01	10
0,02	25
0,03	42
0,04	68
0,05	100
0,06	140
0,07	200
0,08	270
0,09	350
0,1	460

Z danych doświadczalnych (patrz tabelka) widać, że prąd dryfu I_s=-2,7 [V]. Na tej podstawie narysowaliśmy charakterystyki dla różnych temperatur złącza kożystając ze wzoru:

c) dioda stabilizująca - napięcie zenera, oporność statyczna i dynamiczna, współczynnik stabilizacji:

W kierunku zaporowym:

Napięcie [V]	Natężenie [μA]
-5	-8800
-4	-800
-3	-100
-2	-10
-1	-0,59
-0,9	-0,42
-0,8	-0,31
-0,7	-0,22
-0,6	-0,16
-0,5	-0,11
-0,4	-0,074
-0,3	-0,048
-0,2	-0,028
-0,1	-0,012
0	0

Powuższy wykres przedstawia interesująca część charakterystyki diody stabilizacyjnej. Po przekroczeniu napięcia Zenera U_z≈-4Vobserwujemy charakterystyczny dla diody stabilizującej gwałtowny wzrost prądu wstecznego.

Dla ΔU=1 [V] ⇒ ΔI=8000 [μA]=8E-3 [A]

Przyjmując, ze U_o= 4,5 [V] tj. wartość prądu w połowie ΔU i analogicznie dla natężenia prądu I_o=4800 [μA] = 4,8E-3 [A]obliczamy oporność statyczną r_z i dynamiczną R_z :

r_z= ΔU/ΔI = 125 Ω

R_z= U_o/I_o = 937,5 Ω

Teraz możemy obliczyć współczynnik stabilizacji :

Z = r_z / R_z = 0,133

Wnioski

Charakterystyczną cechą złącza p-n jest zależność prądu od napięcia I(U). Jest ona nieliniowa i asymetryczna, wobec czego złącza p-n może mogą być wykożystywane jako dobry prostownik. Jak widać na naszym wykresie krzywa uzyskana doświadczalnie nie pokrywa się z teoretyczną nawet dla temperatury ok.360 K (pokryła by ją dla ok.390 K). Jest to oczywiście nieprawda, więc należy doczukiwać się przyczyn rozbieżności gdzie indziej. Podsawową przyczyną jest fakt, że złącze nie jest idealne z powodu niedoskonałości produkcyjnych które decydują o klasie złącza.

Charakterystyki diody germanowej i krzemowej umieściliśmy na tych samych wykresach, gdzie wyraźnie widać typowe przesunięcie wykresów diody Ge względem Si o ok.0,4 V dla prądu w kierunku przewodzenia związane z szerokością przerwy energetycznej (im większa przerwa energetyczna tym wcześniej prąd zaczyna rosnąć) dla Ge→ E_g=0,7 eV ;Si→ E_g=1,1 eV - dane ze wstępu do labolatorium. Z tego samego powodu dla diody krzemowej prąd I_s jest o rzędy wielkości mniejszy niż w diodzie germanowej.

Wykonane poniary dla diody stabilizującej pozwoliły nam wyznaczyć napięcie zenera -4V oraz współczynnik stabilizacji Z=0,133.

---