1. Cel ćwiczenia.

Celem ćwiczenia jest:

• zapoznanie się z mechanizmem przepływu prądu w półprzewodnikach,

• poznanie własności złącza p-n,

• pomiar charakterystyk prądowo-napięciowych półprzewodnikowych diod prostowniczych i diod Zenera.

2. Wstęp teoretyczny.

2.1. Mechanizm przepływu prądu w półprzewodnikach.

Ciała stałe z względu na ich własności elektryczne można podzielić na trzy grupy: przewodniki, półprzewodniki i dielektryki (izolatory). Do półprzewodników należą ciała, których konduktywność jest mniejsza od konduktywności dobrych przewodników, ale znacznie większa od konduktywności dielektryków. Konduktywność półprzewodników mieści się w bardzo szerokich granicach od 10^-8 do 10⁵ . Do półprzewodników zaliczamy 12 pierwiastków, wśród których największe znaczenie mają krzem i german. Półprzewodnikami są także liczne związki podwójne należące do odpowiednich grup. Oprócz materiałów nieorganicznych do półprzewodników należą także niektóre materiały organiczne tj. np. antracen i sześciobenzobenzen.

Istotnym czynnikiem, który odróżnia półprzewodniki od pozostałych grup ciał stałych, jest ich struktura elektronowa. Z niej wynikają wszystkie elektryczne, optyczne i inne specyficzne własności półprzewodników.

Wiadomo, że w odosobnionym atomie elektrony mogą mieć tylko pewne dozwolone wartości energii całkowitej, zwane w fizyce atomowej dozwolonymi poziomami energetycznymi. Na rysunku

przykładowo w odosobnionym atomie sodu, dozwolone poziomy energetyczne elektronów przedstawiono liniami poziomymi, a krzywą - zależność energii potencjalnej elektronu w atomie od odległości elektrony od jądra. Za zerowy punkt odniesienia energii potencjalnej przyjęto energię elektronu w nieskończoności. Elektron pozostaje związany z określonym atomem dopóki jego energia jest mniejsza od energii potencjalnej elektronu w nieskończoności. W przeciwnym razie elektron odrywa się od atomu i atom staje się jonem.

W ciele stałym, w wyniku zbliżenia atomów i utworzenia przez nie sieci krystalicznej, potencjały elektrostatyczne pochodzące od poszczególnych atomów dodają się. W rezultacie powstaje wypadkowy rozkład energii potencjalnej elektronu w krysztale.

Rozkład ten ma charakter periodyczny z okresem sieci krystalicznej, z wyjątkiem miejsc stanowiących ograniczenie ciała stałego, w których następuje gwałtowny wzrost energii potencjalnej. Skok potencjału przy powierzchni oznacza, że na powierzchni ograniczającej ciało stałe pojawiają się znaczne siły przyciągające, nie pozwalające elektronowi opuścić ciała, jeżeli elektron nie ma dostatecznie dużej energii.

W ciele stałym w miejsce poszczególnych poziomów energetycznych w odosobnionym atomie, pojawiają się pasma energetyczne złożone z bardzo wielu mało różniących się, dozwolonych poziomów energii elektronów. Różnice energii sąsiednich poziomów w paśmie są tak małe, iż można uważać, że praktycznie energia w pasmach zmienia się w sposób ciągły, Jednak fakt, że liczba dyskretnych poziomów w paśmie jest skończona, odgrywa istotną rolę w mechanizmie przewodnictwa ciał stałych. Pasma energii dozwolonych są oddzielone pasmami energii wzbronionych, których elektrony w ciele stałym mieć nie mogą. Istnienie pasm w ciele stałym jest, ogólnie określając, wynikiem oddziaływania pól atomów sąsiednich na elektrony w atomie. Wpływ atomów sąsiednich jest najmniejszy na elektrony wewnętrzne w atomie, które znajdują się blisko jądra i są silnie z nim związane. Dlatego pasma energii elektronów wewnętrznych są bardzo wąskie i praktycznie odpowiadają poziomom w odosobnionym atomie. Wysokoenergetyczne natomiast poziomy elektronów zewnętrznych, czyli walencyjnych, tworzą szerokie pasma. Ze względu na duży wpływ pól wszystkich atomów ciała na elektrony walencyjne, elektrony te nie są związane z jednym wybranym atomem, ale z wszystkimi atomami ciała i biorą udział w tzw. wiązaniu międzyatomowym.

W odosobnionym atomie, w normalnym niepobudzonym stanie, elektrony zajmują wszystkie najniższe poziomy energetyczne. Również w ciele stałym poziomy pasm najniższych są całkowicie obsadzone przez elektrony. W myśl tzw. zasady Pauliego każdy dozwolony poziom energii może być obsadzony przez najwyżej dwa elektrony.

Elektrony wewnętrzne można wykluczyć z rozważań o przewodnictwie ciał stałych, ponieważ obsadzają wszystkie dozwolone poziomy energii w ich pasmach. Aby bowiem przewodzić prąd elektryczny, elektron musi pobierać energię od przyłożonego pola elektrycznego. Oznacza to, że elektron musi być przenoszony na wyższe poziomy energetyczne, co w myśl zasady Pauliego jest niemożliwe, jeżeli te poziomy są już zajęte. Dla przewodnictwa elektrycznego istotne jest wypełnienie pasm przez zewnętrzne elektrony walencyjne.

Model pasmowy półprzewodnika tzw. samoistnego, czyli półprzewodnika o niezakłóconej domieszkami sieci krystalicznej, jest taki sam jak dielektryka, z tym, że szerokość pasma wzbronionego, równa różnicy energii dna pasma przewodnictwa i wierzchołka pasma walencyjnego E_g= E_c - E_v, jest mała.

W półprzewodniku część elektronów pasma walencyjnego może przejść do pustego pasma przewodnictwa i stać się elektronami zdolnymi do przewodzenia prądu. Aby jednak to nastąpiło, należy elektronom walencyjnym dostarczyć energii równej szerokości pasma wzbronionego. Energię potrzebną do wzbudzenia nośników prądu, zwaną też często energią aktywacji, może być np. energia drgań cieplnych siatki krystalicznej, proporcjonalna do temperatury ciała, lub np. energia fotonu padającego światła.

Dzięki małej szerokości pasma wzbronionego w półprzewodniku, już w temperaturze pokojowej część elektronów walencyjnych jest przeniesiona do pasma przewodnictwa i umożliwia przepływ prądu, gdy tymczasem w dielektryku pasmo przewodnictwa w tej temperaturze jest całkowicie puste. Jak pokazuje szczegółowa teoria, koncentracja swobodnych elektronów, czyli liczba elektronów w paśmie przewodnictwa, przypadająca na jednostkę objętości ciała, powiększa się wykładniczo z temperaturą ciała. Zależność koncentracji nośników od temperatury jest specyficzną właściwością półprzewodników, odróżniającą je od metali, w których koncentracja nośników (swobodnych elektronów) jest praktycznie stała, niezależnie od temperatury. Przejście elektronu walencyjnego w półprzewodniku do pasma przewodnictwa oznacza w modelu energetycznym pojawienie się w paśmie podstawowym wolnego poziomu, zwanego dziurą. To samo w modelu sieci krystalicznej półprzewodnika oznacza zerwanie jednego międzyatomowego wiązania walencyjnego i jonizację jednego atomu.

Na rysunku przedstawiono dwuwymiarowy model sieci krystalicznej samoistnego półprzewodnika na przykładzie germanu. Każdy atom germanu, mając cztery elektrony walencyjne, ma jednocześnie czterech sąsiadów, z którymi jest powiązany za pomocą par elektronów wspólnych dla sąsiadujących atomów.

W obecności przyłożonego do półprzewodnika pola elektrycznego, dziura w paśmie podstawowym zostaje zajęta przez elektron z niżej położonego poziomu energii, w wyniku czego dziura przesunie się w dół. W modelu krystalicznym oznacza to zajęcie dziury przez inny elektron idący naprzeciw pola i w rezultacie przesunięcie się nieskompensowanego w atomie ładunku elementarnego w kierunku pola. Ruch dziur jest zatem równoważny ruchowi ładunków dodatnich. W rezultacie w półprzewodniku obserwujemy zarówno elektronowy, jak i dziurowy mechanizm przewodnictwa elektrycznego. Dla półprzewodnika samoistnego koncentracja elektronów przewodnictwa n jest równa koncentracji dziur p.

Opisane półprzewodniki, o dokładnie periodycznej strukturze krystalicznej, są przypadkami wyidealizowanymi. W praktyce sieć krystaliczna półprzewodnika jest zawsze zdefektowana, np. domieszkami obcego pierwiastka, bardzo często celowo wprowadzanymi w czasie produkcji elementów półprzewodnikowych. Aby otrzymać jednak materiał o kontrolowanych i powtarzalnych właściwościach w procesie produkcyjnym przed etapem domieszkowania, dąży się zawsze do otrzymania kryształu możliwie najczystszego i mało zdefektowanego.

W przypadku zakłócenia kryształu czterowartościowego germanu czy krzemu, spowodowane zastąpieniem niektórych atomów kryształu atomami V grupy układu okresowego (N, P, As, Sb). Pierwiastki tej grupy mają po pięć elektronów walencyjnych. Cztery z nich tworzą parzysto elektronowe wiązania z czterema sąsiednimi atomami germanu. Pozostały piąty elektron walencyjny jest związany (słabo) ze swym atomem macierzystym, ponieważ efektywny dodatni ładunek jonu V grupy jest o jeden ładunek elementarny większy od ładunku jonu sieci pierwotnej. Piąty elektron domieszki znajduje się zatem blisko atomu domieszki i jest w sytuacji podobnej jak elektron w atomie wodoru.

Ponieważ jon pięciowartościowy ma ładunek efektywny p jeden większy od ładunków jonów sąsiednich w miejscu, gdzie znajduje się atom domieszki, następuje zaburzenie periodycznego rozkładu potencjału w sieci krystalicznej i zmniejszenie energii potencjalnej elektronów walencyjnych. Jak wykazują obliczenia mechaniki kwantowej, jest to przyczyną deformacji pasm oraz pojawienia się poniżej pasm (w obszarze energii wzbronionej) pewnych dodatkowych, dyskretnych poziomów energetycznych. Dodatkowe poziomy, wprowadzone przez domieszki, nazywamy poziomami zlokalizowanymi, bo należą do atomów domieszki tylko gdzieniegdzie zlokalizowanych. W uproszczonych schematach modelu energetycznego półprzewodników poziomy zlokalizowane oznacza się linią kreskowaną.

Można teraz oczekiwać następującego obsadzenia poziomów energetycznych. Elektrony walencyjne atomów sieci pierwotnej i cztery elektrony walencyjne domieszek, tworzące wiązania kowalentne, całkowicie wypełniają pasmo podstawowe. Piąte elektrony, które są jak gdyby w polu odosobnionego dodatniego ładunku jednoelementarnego i słabiej są związane z atomem domieszki niż elektrony wiązań, zajmują odpowiednio wyżej leżące (tuż przy paśmie przewodnictwa) poziomy zlokalizowane. Wystarczy nieduża energia ΔE_d do wzbudzenia tych elektronów do pasma przewodnictwa i uczynienia z nich nośników prądu. Opisany typ półprzewodnika niesamoistnego nazywamy półprzewodnikiem nadmiarowym lub półprzewodnikiem typu n, bo przewodnictwo zachodzi przede wszystkim za pośrednictwem ujemnych (negatywnych) elektronów. Ładunek dodatni, powstający w wyniku jonizacji atomu domieszki, jest z nim związany i nie może brać udziału w przewodnictwie. Domieszki i ich dodatkowe poziomy energetyczne w półprzewodniku typu n nazywamy domieszkami i poziomami donorowymi.

W półprzewodniku typu n możliwe jest pewne przewodnictwo dziurowe w paśmie podstawowym, w wyniku przejść pewnej liczby elektronów z pasma podstawowego do pasma przewodnictwa, jak to jest w półprzewodniku samoistnym. Ponieważ jednak energia aktywacji elektronów domieszek bywa dużo mniejsza od szerokości pasma wzbronionego, więc koncentracja dziur będzie w niezbyt wysokich temperaturach dużo mniejsza od koncentracji elektronów. Z tego powodu w półprzewodniku typu n dziury nazywamy nośnikami mniejszościowymi, a elektrony - nośnikami większościowymi.

Domieszki atomów III grupy (B, Al, Ga, In) w sieci atomów pierwiastków czterowartościowych (Ge oraz Si) nazywamy akceptorowymi. Ponieważ atom domieszki ma obecnie dodatni ładunek efektywny a jeden mniejszy od reszty atomów pierwotnego kryształu, w każdym miejscu zakłóceń zwiększa się energia potencjalna elektronów walencyjnych. Nad pasmami powstają dodatkowe dyskretne poziomy

zlokalizowane. Trzy elektrony walencyjne atomów domieszek, tworzące wiązania z trzema sąsiednimi atomami sieci pierwotnej oraz elektrony walencyjne sieci pierwotnej, zajmują poziomy pasma podstawowego. Czwarte wiązanie nie jest wypełnione, może ono jednak zostać zrealizowane przez elektron przechwycony z sąsiedniego atomu sieci pierwotnej. Elektron ten będzie słabiej związany z atomem domieszki, niż poprzednio z atomami sieci pierwotnej, bo efektywny ładunek jonu domieszki jest o jeden mniejszy od odpowiedniego ładunku jonów sąsiednich. Oznacza to, że przechwycony elektron może zając tylko odpowiednio wyższy od pasma podstawowego, nie obsadzony poziom zlokalizowania. Oznacza to, że potrzebna jest pewna energia wzbudzenia DE_a do przejścia elektronu walencyjnego germanu bądź krzemu, z pasma podstawowego na poziom zlokalizowany.

W wyniku takiego przejścia w paśmie podstawowym powstaje nieobsadzony poziom energetyczny, dzięki któremu w obecności zewnętrznego pola elektrycznego możliwy będzie prąd w formie przesuwania się nieskompensowanych ładunków dodatnich jonów sieci pierwotnej, czyli dziur.

Jednocześnie atomy domieszek przekształcają się w zlokalizowane jony ujemne, które nie mogą brać udziału w przewodnictwie. W opisanym półprzewodniku prąd elektryczny polega więc na uporządkowanym ruchu dodatnich dziur w paśmie podstawowym i dlatego półprzewodnik taki nazywa się półprzewodnikiem typu p lub półprzewodnikiem niedomiarowym. Domieszki i ich poziomy energetyczne nazywane w tym przypadku domieszkami i poziomami akceptorowymi. W półprzewodniku typu p dziury są nośnikami większościowymi, a elektrony nośnikami mniejszościowymi.

2.2 Złącze p-n.

Ciekawe własności wykazują układy złożone z dwóch obszarów o różnym typie przewodnictwa w obrębie tego samego półprzewodnika, zwane złączami p-n. Złącze p-n otrzymuje się przez odpowiednie rozmieszczenie domieszek akceptorowych i donorowych w półprzewodniku. W strefie przejściowej między obydwoma obszarami różnego typu przewodnictwa, na odległość rzędu mikrometra, zachodzi mniej lub bardziej skokowa zmiana rodzaju domieszek i ich koncentracji. Na skutek gradientów koncentracji elektronów i dziur następuje dyfuzja nośników większościowych: elektronów z obszaru n do p i dziur z obszaru p do n. W wyniku prądów dyfuzji obszar typu n ładuje się dodatnio, a obszar typu p ujemnie. Energia elektronów w obszarze n zmniejsza się, zatem pasma energii elektronów w obszarze n przesuwają się w dół względem pasm obszaru p. Powstała w obszarze przejściowym warstwa dipolowa ładunku przestrzennego, zwana warstwą zaporową, wytwarza pole elektryczne. Pole to przeciwdziała dalszej dyfuzji nośników większościowych i jednocześnie wywołuje prądy unoszenia nośników mniejszościowych: elektronów z obszaru p do n i dziur z obszaru n do p. Gdy różnica potencjałów w warstwie zaporowej osiągnie pewną wartość U_D, zwaną napięciem dyfuzji, ustala się stan równowagi termodynamicznej, w którym znoszą się obydwa rodzaje prądów (dyfuzji i unoszenia). Przyłożenie do złącza p-n napięcia zakłóca tę równowagę. Jeżeli napięcie zewnętrzne U jest zgodne z biegunowością bariery potencjału U_D i ją powiększa, to prąd nośników większościowych spada praktycznie do zera. Pozostaje tylko słaby prąd nośników mniejszościowych. Przypadek ten odpowiada kierunkowi zaporowemu. Jeżeli natomiast do obszaru p przyłożymy potencjał dodatni, a do obszaru n potencjał ujemny, to bariera potencjału ulega obniżeniu i prąd nośników większościowych znacznie wzrasta. Odpowiada to kierunkowi przepustowemu.

Własności prostownicze złącza p-n (duży prąd w kierunku przepustowym, mały w kierunku zaporowym) wykorzystuje się w diodach półprzewodnikowych. W kierunku zaporowym przez diodę płynie prąd nośników mniejszościowych. Prąd ten już przy małych napięciach zaporowych osiąga stan nasycenia. Dopiero od pewnej wartości napięcia zaporowego, zwanego napięciem granicznym lub napięciem Zenera, prąd gwałtownie wzrasta. Jest to związane ze zwiększeniem koncentracji nośników prądu, spowodowanym przejściem elektronów z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa pod wpływem silnego pola elektrycznego w warstwie zaporowej (efekt Zenera). Diody, w których proces gwałtownego wzrostu prądu dla napięcia Zenera nie prowadzi do zniszczenia diody i jest odwracalny, znajdują zastosowanie jako stabilizatory napięcia (diody Zenera). Napięcie powyżej wartości napięcia Zenera jest praktycznie stałe, niezależne od wartości natężenia prądu.

3. Wyznaczenie charakterystyki prądowo-napięciowej diody prostowniczej.

3.1. Zestaw przyrządów:

• zasilacz typ 980-3 0-50 [V],

• multimetr typ G-1007.500 2 szt.

• przystawka LIF-04-035-1.

3.2. Układ pomiarowy.

3.3. Przebieg pomiarów.

Układ pomiarowy został połączony według schematu. Biegun „+” zasilacza podłączono z zaciskiem rezystora R₁. Następnie została zdjęta charakterystyka diod D₁, D₂ i D₃ dla napięć w kierunku przewodzenia. Następnie zmieniono polaryzację układu (biegun „-” zasilacza połączono z zaciskiem R₃) i została zdjęta charakterystyka diod w kierunku zaporowym.

4. Wyznaczenie charakterystyki prądowo-napięciowej diody Zenera.

4.1. Zestaw przyrządów:

• zasilacz typ 980-3 0-50 [V],

• multimetr typ G-1007.500 2 szt.

• przystawka LIF-04-035-2.

4.2. Układ pomiarowy.

Układ pomiarowy identyczny jak poprzednio, tyle, że zamiast diod prostowniczych diodami badanymi są diody Zenera.

4.3. Przebieg pomiarów.

Układ pomiarowy został połączony według powyższego schematu. Biegun „+” zasilacza podłączono z zaciskiem rezystora R₃. Następnie została zgięta charakterystyka diod D₁, D₂ i D₃ dla napięć w kierunku przewodzenia. Następnie zmieniono polaryzację układu (biegun „-” zasilacza połączono z zaciskiem R₃) i została zgięta charakterystyka diod w kierunku zaporowym.

5. Tabele pomiarowe.

D1 - kierunek zaporowy
Uz [V]	zakres [μA]	I [μA]	zakres [V]	U [V]	ΔI [μA]	ΔU [V]
0	200	0,0	20	0,00	0,2	0,02
1	200	-13,1	20	-0,93	0,3	0,02
2	200	-13,3	20	-1,86	0,3	0,03
3	200	-13,6	20	-2,88	0,3	0,03
4	200	-13,8	20	-3,92	0,3	0,04
5	200	-14,1	20	-5,03	0,3	0,05
6	200	-14,4	20	-5,95	0,3	0,05
7	200	-14,8	20	-6,98	0,3	0,05
8	200	-15,1	20	-8,01	0,3	0,06
9	200	-15,4	20	-9,05	0,3	0,07
10	200	-15,7	20	-10,13	0,3	0,07
11	200	-16,1	20	-11,12	0,3	0,08
12	200	-16,5	20	-12,21	0,3	0,08
13	200	-16,9	20	-13,25	0,3	0,09
14	200	-17,5	20	-14,29	0,3	0,09
15	200	-17,8	20	-15,32	0,3	0,10
16	200	-18,2	20	-16,32	0,3	0,10
17	200	-18,7	20	-17,43	0,3	0,11
18	200	-19,1	20	-18,46	0,3	0,11
19	200	-19,7	20	-19,58	0,3	0,12

Dioda prostownicza D1.

D1 - kierunek przewodzenia
Uz [V]	zakres [mA]	I [mA]	zakres [V]	U [V]	ΔI [mA]	ΔU [V]
0	200	0,0	2	0,000	0,2	0,002
1	200	1,8	2	0,186	0,2	0,003
2	200	3,9	2	0,227	0,2	0,003
3	200	6,0	2	0,251	0,2	0,003
4	200	8,0	2	0,269	0,2	0,003
5	200	10,2	2	0,285	0,3	0,003
6	200	12,2	2	0,297	0,3	0,003
7	200	14,4	2	0,309	0,3	0,004
8	200	16,7	2	0,320	0,3	0,004
9	200	18,8	2	0,330	0,3	0,004
10	200	21,0	2	0,339	0,3	0,004
11	200	23,1	2	0,347	0,3	0,004
12	200	25,5	2	0,356	0,3	0,004
13	200	27,4	2	0,363	0,3	0,004
14	200	29,7	2	0,371	0,3	0,004
15	200	32,1	2	0,379	0,4	0,004
16	200	34,1	2	0,386	0,4	0,004
17	200	36,3	2	0,393	0,4	0,004
18	200	38,6	2	0,400	0,4	0,004

D2 kierunek zaporowy
Uz [V]	zakres [μA]	I [μA]	zakres [V]	U [V]	ΔI [μA]	ΔU [V]
0	200	0,0	200	0,0	0,2	0,2
2	200	-0,2	200	-2,0	0,2	0,2
4	200	-0,4	200	-4,1	0,2	0,2
6	200	-0,6	200	-6,1	0,2	0,2
8	200	-0,8	200	-8,2	0,2	0,2
10	200	-1,1	200	-10,3	0,2	0,3
12	200	-1,3	200	-12,3	0,2	0,3
14	200	-1,5	200	-14,4	0,2	0,3
16	200	-1,7	200	-16,5	0,2	0,3
18	200	-1,9	200	-18,6	0,2	0,3
20	200	-2,1	200	-20,6	0,2	0,3
22	200	-2,4	200	-22,8	0,2	0,3
24	200	-2,6	200	-24,9	0,2	0,3
26	200	-2,8	200	-27,0	0,2	0,3
28	200	-3,0	200	-29,0	0,2	0,3
30	200	-3,2	200	-31,1	0,2	0,4

Dioda prostownicza D2.

D2 - kierunek przewodzenia
Uz [V]	zakres [mA]	I [mA]	zakres [V]	U [V]	ΔI [mA]	ΔU [V]
0	200	0,0	2	0,000	0,2	0,002
1	200	0,9	2	0,586	0,2	0,005
2	200	3,0	2	0,640	0,2	0,005
3	200	5,1	2	0,664	0,2	0,005
4	200	7,3	2	0,679	0,2	0,005
5	200	9,4	2	0,691	0,2	0,005
6	200	11,6	2	0,700	0,3	0,006
7	200	13,6	2	0,707	0,3	0,006
8	200	16,0	2	0,714	0,3	0,006
9	200	18,0	2	0,720	0,3	0,006
10	200	20,2	2	0,725	0,3	0,006
11	200	22,4	2	0,729	0,3	0,006
12	200	24,8	2	0,734	0,3	0,006
13	200	26,9	2	0,737	0,3	0,006
14	200	29,0	2	0,741	0,3	0,006
15	200	31,3	2	0,744	0,4	0,006
16	200	33,3	2	0,747	0,4	0,006
17	200	35,8	2	0,750	0,4	0,006
18	200	37,9	2	0,752	0,4	0,006
19	200	40,2	2	0,755	0,4	0,006
20	200	42,1	2	0,757	0,4	0,006

Dioda prostownicza D3.

D3 - kierunek przewodzenia
Uz [V]	zakres [mA]	I [mA]	zakres [V]	U [V]	ΔI [mA]	ΔU [V]
0	200	0,0	2	0,000	0,2	0,002
1	200	1,3	2	0,445	0,2	0,004
2	200	3,3	2	0,505	0,2	0,005
3	200	5,4	2	0,543	0,2	0,005
4	200	7,5	2	0,570	0,2	0,005
5	200	9,5	2	0,592	0,2	0,005
6	200	11,6	2	0,612	0,3	0,005
7	200	13,8	2	0,630	0,3	0,005
8	200	15,9	2	0,646	0,3	0,005
9	200	18,0	2	0,660	0,3	0,005
10	200	20,3	2	0,676	0,3	0,005
11	200	22,6	2	0,689	0,3	0,005
12	200	24,6	2	0,701	0,3	0,006
13	200	26,9	2	0,713	0,3	0,006
14	200	29,1	2	0,725	0,3	0,006
15	200	31,4	2	0,736	0,4	0,006
16	200	33,6	2	0,747	0,4	0,006
17	200	35,8	2	0,757	0,4	0,006
18	200	38,1	2	0,767	0,4	0,006
D3 - kierunek zaporowy
Uz [V]	zakres [μA]	I [μA]	zakres [V]	U [V]	ΔI [μA]	ΔU [V]
0	200	0,0	200	0,0	0,2	0,2
2	200	-4,0	200	-2,0	0,2	0,2
4	200	-10,1	200	-4,0	0,3	0,2
6	200	-18,2	200	-5,9	0,3	0,2
8	200	-26,6	200	-7,8	0,3	0,2
10	200	-32,1	200	-10,0	0,4	0,3
12	200	-45,7	200	-12,0	0,4	0,3
14	200	-57,0	200	-13,8	0,5	0,3
16	200	-75,7	200	-15,7	0,6	0,3
18	200	-97,5	200	-17,6	0,7	0,3
20	200	-119,1	200	-19,3	0,8	0,3
22	200	-149,8	200	-21,1	0,9	0,3
24	200	-186,7	200	-22,8	1,1	0,3
	[mA]	[mA]			[mA]
26	2	-0,239	200	-24,7	0,003	0,3
28	2	-0,293	200	-26,1	0,003	0,3
30	2	-0,364	200	-27,5	0,004	0,3

Dioda Zenera D1.

D1 - kierunek zaporowy
Uz [V]	zakres [mA]	I [mA]	zakres [V]	U [V]	ΔI [mA]	ΔU [V]
0	20	0,00	20	0,00	0,02	0,02
2	20	0,00	20	-2,00	0,02	0,03
4	20	0,00	20	-4,07	0,02	0,04
6	20	0,00	20	-6,00	0,02	0,05
8	20	0,00	20	-8,24	0,02	0,06
10	20	-0,68	20	-8,85	0,02	0,06
12	20	-1,59	20	-8,87	0,03	0,06
14	20	-2,60	20	-8,88	0,03	0,06
16	20	-3,50	20	-8,90	0,04	0,06
18	20	-4,47	20	-8,93	0,04	0,06
20	20	-5,38	20	-8,94	0,05	0,06
22	20	-6,35	20	-8,95	0,05	0,06
24	20	-7,32	20	-8,97	0,06	0,06
26	20	-8,24	20	-8,98	0,06	0,06
28	20	-9,24	20	-9,00	0,07	0,07
30	20	-10,27	20	-9,01	0,07	0,07
D1 - kierunek przewodzenia
Uz [V]	zakres [mA]	I [mA]	zakres [V]	U [V]	ΔI [mA]	ΔU [V]
0	20	0,00	2	0,000	0,02	0,002
1	20	0,20	2	0,650	0,02	0,005
2	20	0,66	2	0,702	0,02	0,006
3	20	1,10	2	0,721	0,03	0,006
4	20	1,61	2	0,734	0,03	0,006
5	20	2,02	2	0,742	0,03	0,006
6	20	2,47	2	0,748	0,03	0,006
7	20	2,96	2	0,754	0,03	0,006
8	20	3,41	2	0,759	0,04	0,006
9	20	3,89	2	0,763	0,04	0,006
10	20	4,39	2	0,767	0,04	0,006
11	20	4,84	2	0,771	0,04	0,006
12	20	5,38	2	0,774	0,05	0,006
13	20	5,82	2	0,776	0,05	0,006
14	20	6,32	2	0,779	0,05	0,006
15	20	6,80	2	0,781	0,05	0,006
16	20	7,30	2	0,784	0,06	0,006
17	20	7,78	2	0,786	0,06	0,006
18	20	8,27	2	0,788	0,06	0,006
19	20	8,76	2	0,790	0,06	0,006
20	20	9,14	2	0,791	0,07	0,006
21	20	9,69	2	0,793	0,07	0,006
22	20	10,15	2	0,795	0,07	0,006

Dioda Zenera D2.

D2 - kierunek przewodzenia
Uz [V]	zakres [mA]	I [mA]	zakres [V]	U [V]	ΔI [mA]	ΔU [V]
0	20	0,00	2	0,000	0,02	0,002
1	20	0,22	2	0,607	0,02	0,005
2	20	0,67	2	0,638	0,02	0,005
3	20	1,13	2	0,652	0,03	0,005
4	20	1,61	2	0,662	0,03	0,005
5	20	2,05	2	0,668	0,03	0,005
6	20	2,51	2	0,674	0,03	0,005
7	20	2,99	2	0,678	0,03	0,005
8	20	3,48	2	0,682	0,04	0,005
9	20	3,97	2	0,685	0,04	0,005
10	20	4,43	2	0,688	0,04	0,005
11	20	4,96	2	0,691	0,04	0,005
12	20	5,37	2	0,693	0,05	0,005
13	20	5,88	2	0,695	0,05	0,005
14	20	6,38	2	0,698	0,05	0,005
15	20	6,85	2	0,699	0,05	0,005
16	20	7,28	2	0,700	0,06	0,006
17	20	7,85	2	0,702	0,06	0,006
18	20	8,34	2	0,704	0,06	0,006
19	20	8,84	2	0,705	0,06	0,006
20	20	9,17	2	0,706	0,07	0,006
21	20	9,74	2	0,707	0,07	0,006
22	20	10,21	2	0,708	0,07	0,006

D2 - kierunek zaporowy
Uz [V]	zakres [mA]	I [mA]	zakres [V]	U [V]	ΔI [mA]	ΔU [V]
0	20	0,00	20	0,00	0,02	0,02
2	20	0,00	20	-2,08	0,02	0,03
4	20	0,00	20	-4,05	0,02	0,04
6	20	-0,01	20	-6,16	0,02	0,05
8	20	-0,57	20	-7,00	0,02	0,06
10	20	-1,45	20	-7,01	0,03	0,06
12	20	-2,44	20	-7,02	0,03	0,06
14	20	-3,44	20	-7,04	0,04	0,06
16	20	-4,38	20	-7,05	0,04	0,06
18	20	-5,34	20	-7,06	0,05	0,06
20	20	-6,24	20	-7,07	0,05	0,06
22	20	-7,19	20	-7,08	0,06	0,06
24	20	-8,20	20	-7,09	0,06	0,06
26	20	-9,17	20	-7,09	0,07	0,06
28	20	-10,14	20	-7,11	0,07	0,06

Dioda Zenera D3.

D3 - kierunek przewodzenia
Uz [V]	zakres [mA]	I [mA]	zakres [V]	U [V]	ΔI [mA]	ΔU [V]
0	200	0,0	2	0,000	0,2	0,002
2	200	0,6	2	0,688	0,2	0,005
4	200	1,5	2	0,717	0,2	0,006
6	200	2,5	2	0,732	0,2	0,006
8	200	3,4	2	0,742	0,2	0,006
10	200	4,3	2	0,748	0,2	0,006
12	200	5,4	2	0,754	0,2	0,006
14	200	6,4	2	0,759	0,2	0,006
16	200	7,3	2	0,763	0,2	0,006
18	200	8,3	2	0,767	0,2	0,006
20	200	9,2	2	0,769	0,2	0,006
22	200	10,1	2	0,772	0,3	0,006
24	200	11,1	2	0,774	0,3	0,006
26	200	12,1	2	0,776	0,3	0,006
28	200	13,0	2	0,778	0,3	0,006
30	200	14,1	2	0,781	0,3	0,006
32	200	15,0	2	0,782	0,3	0,006
34	200	16,0	2	0,784	0,3	0,006
36	200	16,9	2	0,785	0,3	0,006
38	200	18,0	2	0,787	0,3	0,006
40	200	18,8	2	0,788	0,3	0,006
42	200	19,6	2	0,789	0,3	0,006
44	200	20,6	2	0,790	0,3	0,006

D3 - kierunek zaporowy
Uz [V]	zakres [mA]	I [mA]	zakres [V]	U [V]	ΔI [mA]	ΔU [V]
0	20	0,00	20	0,00	0,02	0,02
2	20	0,00	20	-2,07	0,02	0,03
4	20	-0,34	20	-3,38	0,02	0,04
6	20	-1,06	20	-3,82	0,03	0,04
8	20	-1,93	20	-4,06	0,03	0,04
10	20	-2,75	20	-4,20	0,03	0,04
12	20	-3,69	20	-4,31	0,04	0,04
14	20	-4,60	20	-4,39	0,04	0,04
16	20	-5,54	20	-4,46	0,05	0,04
18	20	-6,48	20	-4,51	0,05	0,04
20	20	-7,40	20	-4,56	0,06	0,04
22	20	-8,35	20	-4,60	0,06	0,04
24	20	-9,32	20	-4,63	0,07	0,04
26	20	-10,29	20	-4,66	0,07	0,04
28	20	-11,22	20	-4,69	0,08	0,04

6. Wykresy.

a) Charakterystyka prądowo napięciowa diody D1

b) Charakterystyka prądowo napięciowa diody D2

c) Charakterystyka prądowo napięciowa diody D3

d) Charakterystyka prądowo-napięciowa diody Zenera D1

e) Charakterystyka prądowo-napięciowa diody Zenera D2

f) Charakterystyka prądowo-napięciowa diody Zenera D3

7. Błędy.

Na dokładność pomiarów wpływ miały następujące błędy:

• błąd podstawowy multimetru przy pomiarze napięcia stałego:

• ± (0,5 % wartości zmierzonej + 2 jedn.)

• błąd podstawowy multimetru przy pomiarze prądu stałego:

± (0,5 % wartości zmierzonej + 2 jedn.)

Błędy powyższe podane były w instrukcji ćwiczenia.

8. Wnioski.

Kształt charakterystyki diod prostowniczych U=f(I) we współrzędnych U, I jest typowy dla złącza p-n zarówno w kierunku przewodzenia jak i zaporowym. Charakterystyka ta wykazuje właściwości złącza p-n jako elementu prostowniczego, czyli duży prąd w kierunku przepustowym, mały w kierunku zaporowym.

Charakterystyka U = f(I) diody Zenera dokładnie przedstawia właściwości diody, będące wynikiem zastosowania w niej zjawiska Zenera. Przy polaryzacji w kierunku przewodzenia dioda Zenera ma charakterystykę zbliżona do charakterystyki normalnej diody, tzn. spadek napięcia jest na niej stały i wynosi około 0.6 - 0.7 [V]. Dzięki wykorzystaniu zjawiska Zenera i zjawiska lawinowego w stabilizatorach uzyskano najprostszy element stabilizacyjny, przy zastosowaniu którego można w bardzo łatwy sposób zaprojektować stabilizator napięcia.

Laboratorium z fizyki Badanie własności diod półprzewodnikowych

_______________________________________________________________________________________________________________________________

Strona nr 17

---